科学家们已经开发了一个平台，可以将不同类型的纳米材料组件(或“纳米物体”)——无机或有机——组装成所需的三维结构。虽然自组装(SA)已成功地用于组织几种纳米材料，但该过程具有极强的系统特异性，可根据材料的固有特性生成不同的结构。正如今天发表在《自然材料》杂志上的一篇论文所报道的，他们的新型dna可编程纳米制造平台可以应用于在纳米尺度(十亿分之一米)以相同的规定方式组织各种三维材料，从而产生独特的光学、化学和其他特性。
通讯作者Oleg Gang解释说:“SA不能应用于实际应用的一个主要原因是，相同的SA过程不能应用于大范围的材料，从而从不同的纳米组件创建相同的3-D有序阵列。”美国能源部布鲁克海文国家实验室科学用户设施办公室(CFN)功能纳米材料中心(Center for Functional Nanomaterials)软质和生物纳米材料组组长，哥伦比亚大学工程学院(Columbia Engineering)化学工程、应用物理和材料科学教授。“在这里，我们通过设计刚性的多面体DNA框架，将SA过程与材料特性分离开来，该框架可以封装各种无机或有机纳米物体，包括金属、半导体、甚至蛋白质和酶。”
科学家们设计出了立方体、八面体和四面体形状的合成DNA框架。框架内是DNA“臂”，只有具有互补DNA序列的纳米物体才能与之结合。这些物质体素——DNA框架和纳米物体的结合——是构成宏观三维结构的基础。无论纳米物体的内部是什么(或不是什么)，这些框架都是根据它们在顶点上编码的互补序列相互连接的。根据它们的形状，框架有不同数量的顶点，从而形成完全不同的结构。框架内的任何纳米物体都具有特定的框架结构。
为了演示他们的组装方法，科学家们选择了金属(金)和半导体(硒化镉)纳米颗粒和细菌蛋白(链霉亲和素)作为无机和有机纳米物体放置在DNA框架内。首先，他们在CFN电子显微镜设备和范安德尔研究所(Van Andel Institute)的电子显微镜下成像，确认了DNA框架的完整性和物质体素的形成。然后探测三维晶格结构连贯的硬x射线散射和复合材料国家同步光源的散射beamlines II (NSLS-II)——另一个美国能源部科学办公室用户设施布鲁克海文实验室。哥伦比亚工程化学工程教授Bykhovsky Sanat库马尔教授和他的团队执行计算建模,实验观察到的晶格结构(基于x射线散射模式)材料体素可以形成的热力学稳定的。
库马尔解释说:“这些材料体素使我们能够开始利用来自原子(和分子)及其形成的晶体的想法，并将这一庞大的知识和数据库移植到纳米级的感兴趣的系统中。”
Gang在哥伦比亚大学的学生随后演示了如何使用装配平台来驱动两种不同的具有化学和光学功能的材料的组织。在一个案例中，他们联合组装了两种酶，创造了高密度的3-D阵列。尽管这些酶在化学上保持不变，但它们的酶活性却增加了四倍。这些“纳米反应器”可用于操作级联反应，使化学活性材料的制备成为可能。在光学材料演示中，他们混合了两种不同颜色的量子点——用于制造高色彩饱和度和亮度电视显示器的微小纳米晶体。用荧光显微镜捕获的图像显示，形成的晶格保持了低于光的衍射极限(波长)的颜色纯度;这一特性可以显著提高各种显示和光通信技术的分辨率。
“我们需要重新思考材料是如何形成的，以及它们是如何发挥作用的，”Gang说。“材料重新设计可能没有必要;简单地用新方法包装现有材料可以提高它们的性能。我们的平台有可能成为一种“超越3d打印制造”的技术，能够在更小的范围内控制材料，并使用更多的材料种类和设计成分。用同样的方法从不同材料类别的纳米目标中形成三维晶格，将那些被认为不相容的纳米对象整合在一起，可能会给纳米制造带来革命性的变化。”
——文章发布于2020年1月13日
