DNA成為我們構建先進納米粒子材料的“手”

在1月18日發表在《科學》雜志上的一篇論文中，分別來自西北大學和密歇根大學的科學家Chad Mirkin和Sharon Glotzer及其團隊展示了納米技術的發現，這些發現可能會影響先進材料的制造方式。

本文描述了組裝多面體納米粒子的重大飛躍。研究人員介紹并展示了一種新型合成策略的力量，這種策略擴展了超材料設計的可能性。這些是支撐“隱形斗篷”和超高速光學計算系統的不尋常材料。

Mirkin說：“在日常生活中，我們用手操縱宏觀尺度的材料，即使是學齡前的孩子也能很容易地操作玩具積木，把它們很好地組裝在一起來填充空間。在納米尺度上，我們不能用手來操縱納米粒子的構建模塊，因為我們的手和納米粒子之間的尺寸差異很大。

因為DNA和納米顆粒具有相同的長度尺度，我們可以用DNA對顆粒進行化學編碼，這樣它們就可以被設計成識別互補的顆粒，因此DNA有效地成為我們的手。”

這些“hands”被設計用來識別具有互補形狀的粒子，并將它們排列成填充空間的結構。

一種制造有用納米顆粒晶體的新方法

利用DNA作為鍵合元素來設計納米粒子晶體的傳統方法尚未導致三維(3D)空間填充的平鋪排列。為了獲得這些有用的充滿空間的晶體，西北大學的研究人員使用了比通常使用的更短、更靈活的分子配體。具體來說，他們使用了低聚乙二醇修飾的DNA。低聚乙二醇單元作為一種減震器，可以調整到適當的長度，以確保形狀可以以近乎完美的方式組合在一起。到目前為止，這種新的建筑材料已經合成了10種新的膠體晶體，這些晶體是不可能用其他方法制備的，它們有可能被用于設計和建造具有前所未有性能的超材料。

讓真實的色彩閃耀

納米粒子本質上是不完美的——即使是在同一合成批次中生產的單個納米粒子，其大小和形狀也會略有不同——這一特征會限制它們在組裝時有效填充空間的能力。此外，傳統上用于組裝的DNA鏈幾乎與顆粒的直徑一樣長或更長，因此掩蓋了顆粒幾何形狀在鍵合中的一些重要貢獻。結果發現，具有定義明確的面的粒子的行為與幾何上不那么復雜的粒子相似。

該團隊通過將DNA配體外殼和納米顆粒形狀的影響解耦，克服了這兩個障礙。事實上，DNA鏈在組裝過程中是必不可少的——它們就像“膠水”，被操縱著將顆粒粘在一起。但研究人員使用了更短、更靈活的DNA鏈。短DNA使得納米顆粒的形狀互補性被揭示出來，然后在組裝的產品中反映出來。靈活的DNA提供了所需的擺動空間，以適應多面體納米顆粒大小和形狀的輕微缺陷。這種擺動空間允許形狀不完美的納米粒子創造出完美形狀的瓷磚。通過這種方式，高度有序的組件通過面對面對齊形成。

“通過解耦DNA配體外殼和核心形狀的貢獻，我們已經打開了納米技術的新前沿，能夠創造出高度有序的膠體晶體，其形狀和大小在以前被認為是不可能的。這一突破不僅擴大了膠體晶體的范圍，而且為設計超材料提供了一個多功能工具包，”該研究的主要作者之一Wenjie Zhou說。

值得注意的是，這種新策略允許兩種重要的設計策略。首先，不完美的多面體或完全不同形狀的建筑塊可以組裝成高度有序的空間填充結構。其次，柔性DNA為非空間填充多面體納米顆粒的組裝提供了額外的自由度，從而產生了具有對稱性的復雜晶體，這是以前用DNA膠體晶體工程無法實現的。

拓展設計空間

該研究展示了利用簡單的幾何考慮來設計大型、填充空間的膠體晶體的能力。所呈現的組件僅代表了這一革命性策略的巨大設計空間的一小部分。因此，將實驗和理論相結合以得到有用的目標結構是非常重要的。

Anthony C Lembke化學工程系主任Glotzer說:“在這里，實驗工作得到了計算機模擬的證實，我們的理論工作為計算機上發生的事情提供了新的見解。”“通過兩種研究模式的結合和共同努力，我們的團隊比我們獨立工作時了解到更多關于這個系統的知識。這就是為什么跨學科的工作代表了科學和工程的絕對**。”

從很多方面來說，這些結果都是出乎意料的。米爾金說:“一個人可以用兩個非常不完美的系統來設計DNA結合元素，從而產生近乎完美的充滿空間的晶體，這遠非顯而易見。這是大自然的藍圖在編碼材料結果方面的效用的驚人展示。

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