DNA成為我們構(gòu)建先進(jìn)納米粒子材料的“手”

在1月18日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇論文中，分別來(lái)自西北大學(xué)和密歇根大學(xué)的科學(xué)家Chad Mirkin和Sharon Glotzer及其團(tuán)隊(duì)展示了納米技術(shù)的發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)可能會(huì)影響先進(jìn)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(kuò)展了超材料設(shè)計(jì)的可能性。這些是支撐“隱形斗篷”和超高速光學(xué)計(jì)算系統(tǒng)的不尋常材料。

Mirkin說(shuō)：“在日常生活中，我們用手操縱宏觀尺度的材料，即使是學(xué)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(lái)填充空間。在納米尺度上，我們不能用手來(lái)操縱納米粒子的構(gòu)建模塊，因?yàn)槲覀兊氖趾图{米粒子之間的尺寸差異很大。

因?yàn)镈NA和納米顆粒具有相同的長(zhǎng)度尺度，我們可以用DNA對(duì)顆粒進(jìn)行化學(xué)編碼，這樣它們就可以被設(shè)計(jì)成識(shí)別互補(bǔ)的顆粒，因此DNA有效地成為我們的手。”

這些“hands”被設(shè)計(jì)用來(lái)識(shí)別具有互補(bǔ)形狀的粒子，并將它們排列成填充空間的結(jié)構(gòu)。

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(lái)設(shè)計(jì)納米粒子晶體的傳統(tǒng)方法尚未導(dǎo)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(xué)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(lái)說(shuō)，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(diào)整到適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)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(jīng)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(shè)計(jì)和建造具有前所未有性能的超材料。

讓真實(shí)的色彩閃耀

納米粒子本質(zhì)上是不完美的——即使是在同一合成批次中生產(chǎn)的單個(gè)納米粒子，其大小和形狀也會(huì)略有不同——這一特征會(huì)限制它們?cè)诮M裝時(shí)有效填充空間的能力。此外，傳統(tǒng)上用于組裝的DNA鏈幾乎與顆粒的直徑一樣長(zhǎng)或更長(zhǎng)，因此掩蓋了顆粒幾何形狀在鍵合中的一些重要貢獻(xiàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，具有定義明確的面的粒子的行為與幾何上不那么復(fù)雜的粒子相似。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)將DNA配體外殼和納米顆粒形狀的影響解耦，克服了這兩個(gè)障礙。事實(shí)上，DNA鏈在組裝過(guò)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(bǔ)性被揭示出來(lái)，然后在組裝的產(chǎn)品中反映出來(lái)。靈活的DNA提供了所需的擺動(dòng)空間，以適應(yīng)多面體納米顆粒大小和形狀的輕微缺陷。這種擺動(dòng)空間允許形狀不完美的納米粒子創(chuàng)造出完美形狀的瓷磚。通過(guò)這種方式，高度有序的組件通過(guò)面對(duì)面對(duì)齊形成。

“通過(guò)解耦DNA配體外殼和核心形狀的貢獻(xiàn)，我們已經(jīng)打開(kāi)了納米技術(shù)的新前沿，能夠創(chuàng)造出高度有序的膠體晶體，其形狀和大小在以前被認(rèn)為是不可能的。這一突破不僅擴(kuò)大了膠體晶體的范圍，而且為設(shè)計(jì)超材料提供了一個(gè)多功能工具包，”該研究的主要作者之一Wenjie Zhou說(shuō)。

值得注意的是，這種新策略允許兩種重要的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。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(chǎn)生了具有對(duì)稱性的復(fù)雜晶體，這是以前用DNA膠體晶體工程無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

拓展設(shè)計(jì)空間

該研究展示了利用簡(jiǎn)單的幾何考慮來(lái)設(shè)計(jì)大型、填充空間的膠體晶體的能力。所呈現(xiàn)的組件僅代表了這一革命性策略的巨大設(shè)計(jì)空間的一小部分。因此，將實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合以得到有用的目標(biāo)結(jié)構(gòu)是非常重要的。

Anthony C Lembke化學(xué)工程系主任Glotzer說(shuō):“在這里，實(shí)驗(yàn)工作得到了計(jì)算機(jī)模擬的證實(shí)，我們的理論工作為計(jì)算機(jī)上發(fā)生的事情提供了新的見(jiàn)解。”“通過(guò)兩種研究模式的結(jié)合和共同努力，我們的團(tuán)隊(duì)比我們獨(dú)立工作時(shí)了解到更多關(guān)于這個(gè)系統(tǒng)的知識(shí)。這就是為什么跨學(xué)科的工作代表了科學(xué)和工程的絕對(duì)**。”

從很多方面來(lái)說(shuō)，這些結(jié)果都是出乎意料的。米爾金說(shuō):“一個(gè)人可以用兩個(gè)非常不完美的系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)DNA結(jié)合元素，從而產(chǎn)生近乎完美的充滿空間的晶體，這遠(yuǎn)非顯而易見(jiàn)。這是大自然的藍(lán)圖在編碼材料結(jié)果方面的效用的驚人展示。

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