DNA“手”組裝先進納米粒子材料，有助打造“隱形斗篷”
發布時間：2024年1月25日
來源：科技日報
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美國西北大學和密歇根大學的研究團隊在組裝多面體納米粒子方面取得重大飛躍，可能會對先進材料的制造方式產生影響。在最新一期《科學》雜志上發表的論文中，研究人員介紹并展示了一種新型合成策略，它拓展了超材料設計的可能性。這些非同凡響的材料是“隱形斗篷”和超高速光學計算系統的基礎。
人們在日常生活中用手操作宏觀材料，即使是學齡前兒童也可輕松操縱玩具積木，并將它們很好地組合在一起。但是，在納米尺度上，人們無法用手來擺弄納米粒子，因為手和納米粒子之間存在巨大的尺寸差異。DNA和納米粒子的尺寸長度相同，且可用DNA對納米粒子進行化學編碼。于是，DNA就成了人們的“手”。這些“手”可識別形狀互補的納米粒子，并將它們排列起來形成空間填充結構。
使用DNA作為鍵合元件來設計納米晶體的傳統方法，尚未實現三維空間填充的平鋪排列。此次，西北大學研究人員使用了更短、更靈活的分子配體——寡聚乙二醇修飾DNA。寡聚乙二醇單元可充當減震器，調整到適當的長度，以確保各種形狀粒子可以近乎完美的方式裝配在一起。到目前為止，研究人員已經合成了10種新的膠體晶體。
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的大小和形狀也略有不同。這一特征可能會限制它們在組裝時有效地填充空間的能力。此外，傳統上用于組裝的DNA鏈幾乎與納米粒子的直徑一樣長或更長，因此掩蓋了粒子的幾何形狀對鍵合的一些關鍵貢獻。
該團隊克服了這兩個障礙，解答了納米技術的一個新前沿問題，使創建高度有序的膠體晶體成為可能。這些晶體的形狀和尺寸曾被認為是不可能制造出來的。這項研究展示了使用簡單的幾何方法來設計大的、充滿空間的膠體晶體的能力。這一突破不僅豐富了膠體晶體的設計空間，還為設計超材料提供了一個通用的工具包。