Sculpting light using DNA origami-templated nanoparticle assemblies

Dass, Mihir (2023): Sculpting light using DNA origami-templated nanoparticle assemblies. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

The optical behavior of materials at the macroscale is influenced by their nanoscale structure. Developing techniques to influence and create new nanoscale architectures can enable us to assemble materials with novel properties. DNA nanotechnology, and especially the DNA origami technique allows the use of self-assembly to arrange nanoscopic objects in user-defined geometries. In this doctoral thesis, we use this feature to engineer the optical response of plasmonic nanoparticle assemblies in two areas: chiral plasmonics and physical unclonable functions (PUFs). Initially, we discuss advances in the use of DNA origami-templated plasmonic materials to achieve sensitive biomolecule detection. We then explore the synthesis and properties of chiral nanorod dimers, focusing on silver-gold core-shell nanorods. Utilising a novel one-pot method, we achieve monodisperse nanorods with precise control over size, aspect ratio, and silver shell thickness. These nanoparticles offer tunable optical characteristics and are functionalized with DNA, enabling their organization into specific chiral geometries via DNA origami. Our findings extend the spectral control over the circular dichroic signal, offering potential applications in catalysis and biosensing. We use the core-shell particles and DNA origami in combination with nanosphere lithography to create a novel unclonable tag to combat counterfeiting. Traditional cryptographic methods based on one-way functions are discussed, along with their limitations, both technological and theoretical. We describe PUFs as an alternative, with an emphasis on optical PUFs, which are robust against various types of attacks and cloning attempts. Our PUFs exhibit a broad range of hues due to plasmonic coupling, enhancing their security features. Moreover, these PUFs are seamlessly integrated with a cost-effective 3D-printed read-out tool, bridging the gap between experimental technology and practical application. The thesis thus contributes significant advancements in using DNA-templated optical materials for both scientific inquiry and societal applications. It showcases the versatility and potential of the DNA origami technique for precise nanoscale assembly and paves the way for practical applications such as secure authentication systems and biochemical sensing.

Abstract

Das optische Verhalten von Materialien auf der Makroebene wird durch ihre Nanostruktur beeinflusst. Die Fähigkeit, neue Nanoarchitekturen zu schaffen und zu gestalten, ermöglicht es uns, Materialien mit neuartigen Eigenschaften zu entwickeln. Die DNA-Nanotechnologie, insbesondere die DNA-Origami-Technik, ermöglicht es mittels Selbstorganisation, um nanoskopische Objekte in benutzerdefinierten Geometrien anzuordnen. In dieser Doktorarbeit nutzen wir dies Eigenschaft, um die optische Reaktion von plasmonischen Nanopartikel-Assemblagen in zwei Bereichen zu steuern: chirale Plasmonik und physisch unkopierbare Funktionen (PUFs). Zunächst diskutieren wir Fortschritte bei der Verwendung mithilfe von DNA-Origami entworfenen plasmonischen Materialien zur empfindlichen Biomoleküldetektion. Dann behandeln wir die Synthese und Eigenschaften von chiralen Nanostab-Dimeren, wobei wir uns auf Silber-Gold Kern-Schale-Nanostäbe konzentrieren. Durch die Verwendung einer neuartigen Ein-Topf-Methode erreichen wir monodisperse Nanostäbe mit präziser Kontrolle über Größe, Seitenverhältnis und Silberschalendicke. Diese Nanopartikel bieten abstimmbare optische Eigenschaften und sind mit DNA funktionalisiert, was ihre Organisation in spezifischen chiralen Geometrien durch DNA-Origami ermöglicht. Unsere Erkenntnisse erweitern die spektrale Kontrolle über das zirkulardichroische Signal und bieten potenzielle Anwendungen in der empfindlichen Biomoleküldetektion. Wir verwenden die Kern-Schale-Partikel und DNA-Origami in Kombination mit Nanosphären-Lithographie, um ein neuartiges, unkopierbares Etikett zur Bekämpfung von Fälschungen zu schaffen. Traditionelle kryptografische Methoden, die auf Einwegfunktionen basieren, werden diskutiert, zusammen mit ihren technologischen und theoretischen Einschränkungen. Wir führen PUFs als Alternative ein, mit einem Schwerpunkt auf optischen PUFs, die gegen verschiedene Arten von Angriffen und Klonversuchen robust sind. Unsere PUFs weisen ein breites Spektrum an Farbtönen aufgrund starker plasmonischer Kopplung auf, was ihre Sicherheitsmerkmale verbessert. Darüber hinaus werden diese PUFs nahtlos mit einem kostengünstigen, 3D-gedruckten Auslesewerkzeug integriert, wodurch die Lücke zwischen experimenteller Technologie und praktischer Anwendung geschlossen wird. Die Arbeit trägt somit wesentlich zur Weiterentwicklung der Verwendung von DNA-templierten optischen Materialien sowohl für die wissenschaftliche Forschung als auch für gesellschaftlich relevante Anwendungen bei. Sie zeigt die Vielseitigkeit und das Potenzial der DNA-Origami-Techniken für die präzise Nano-Assemblierung und ebnet den Weg für praktische Anwendungen wie sichere Authentifizierungssysteme und empfindliche biochemische Sensoren.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 18. Dezember 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Liedl, Tim