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科技的進步讓人類能夠摸索到更多未知的奧祕，而光子晶體（photonic crystals）就是其中之一。你看過蝴蝶翅膀上會隨著光線而變化的彩色斑紋嗎？這些顏色並不是來自於色素，而是光子晶體。這種排列方式具有特定週期性順序的奈米結構，能夠選擇性地通過或反射特定波長的光，讓實際上是透明、無色的蝴蝶翅膀顯現出絢麗的色彩。
 
就理論而言，光子晶體的應用範圍十分廣泛，無論是太陽能電池、光波導體、量子通訊等領域，皆能應用到光子晶體，然而要製造出適用於可見光波長範圍的光子晶體，對科學家來說一直是個重大挑戰。不過此領域在近期有了新突破，來自德國慕尼黑大學（University of Munich）的研究團隊利用DNA奈米摺疊技術，開發出一種製造光子晶體的新方法，目前研究結果已發表於《科學》（Science）期刊。
 
傳統的光子晶體製造方法成本高且製程複雜，例如光刻技術（lithographic）雖然可以製造出能在紅外光波長範圍內具有作用的光子晶體，但卻無法製作出在可見光、紫外光波長範圍的光子晶體。因此本次研究團隊採用「DNA摺疊技術」製作光子晶體，他們將長度約8000個鹼基的環狀單股DNA與200條短U型DNA結合，U型DNA能控制長鏈的單股DNA，使它摺疊成任意形狀並形成鑽石晶體的結構。透過這類DNA奈米技術，便可以用較簡單的方式製造出所需尺寸的光子晶體，由下而上組裝出特定的晶格。最終，研究團隊製造出一種尺寸週期性為170奈米（nm）的鑽石狀晶格，它的間隙大小恰好對應可見光波長〔註〕。
 

〔註〕在鑽石晶體的結構中，每個碳原子會與另外四個相鄰碳原子結合，過往研究顯示這是一種最佳的光子晶體形狀。

 
摺疊後的DNA結構會形成大小約10微米（μm）的鑽石結構晶體並沉積，而後團隊再將晶體運送至合作團隊慕尼黑工業大學（Technical University of Munich）的實驗室，並在晶體表面鍍上二氧化鈦薄膜。由於二氧化鈦的折射率高，藉此能使晶體獲得光學特性、反射波長約300nm的紫外光。後續再調整二氧化鈦層的厚度，還可控制反射光的波長。
 
由於以DNA摺疊方式製造出光子晶體的過程只需在溶液中進行，除了成本遠低於傳統光刻技術外，此方式也相對簡單。此外，鑽石晶格的疏鬆多孔結構還可以作為載體嵌入其他功能材料，為未來光電子領域的研究，例如可見光半導體的製造開闢新途徑。

新聞來源
Posnjak, G. et al. (2024). Diamond-lattice photonic crystals assembled from DNA origami. Science, 384 (6697): 781.