Science：DNA成为我们构建先进纳米粒子材料的“手”

一篇新论文描述了组装多面体纳米粒子的重大飞跃。研究人员介绍并展示了一种新型合成策略的力量，这种策略扩展了超材料设计的可能性。这些是支撑“隐形斗篷”和超高速光学计算系统的不寻常材料。

　　

在1月18日发表在《科学》杂志上的一篇论文中，分别来自西北大学和密歇根大学的科学家Chad Mirkin和Sharon Glotzer及其团队展示了纳米技术的发现，这些发现可能会影响先进材料的制造方式。

本文描述了组装多面体纳米粒子的重大飞跃。研究人员介绍并展示了一种新型合成策略的力量，这种策略扩展了超材料设计的可能性。这些是支撑“隐形斗篷”和超高速光学计算系统的不寻常材料。

Mirkin说：“在日常生活中，我们用手操纵宏观尺度的材料，即使是学龄前的孩子也能很容易地操作玩具积木，把它们很好地组装在一起来填充空间。在纳米尺度上，我们不能用手来操纵纳米粒子的构建模块，因为我们的手和纳米粒子之间的尺寸差异很大。

因为DNA和纳米颗粒具有相同的长度尺度，我们可以用DNA对颗粒进行化学编码，这样它们就可以被设计成识别互补的颗粒，因此DNA有效地成为我们的手。”

这些“hands”被设计用来识别具有互补形状的粒子，并将它们排列成填充空间的结构。

一种制造有用纳米颗粒晶体的新方法

利用DNA作为键合元素来设计纳米粒子晶体的传统方法尚未导致三维(3D)空间填充的平铺排列。为了获得这些有用的充满空间的晶体，西北大学的研究人员使用了比通常使用的更短、更灵活的分子配体。具体来说，他们使用了低聚乙二醇修饰的DNA。低聚乙二醇单元作为一种减震器，可以调整到适当的长度，以确保形状可以以近乎完美的方式组合在一起。到目前为止，这种新的建筑材料已经合成了10种新的胶体晶体，这些晶体是不可能用其他方法制备的，它们有可能被用于设计和建造具有前所未有性能的超材料。

让真实的色彩闪耀

纳米粒子本质上是不完美的——即使是在同一合成批次中生产的单个纳米粒子，其大小和形状也会略有不同——这一特征会限制它们在组装时有效填充空间的能力。此外，传统上用于组装的DNA链几乎与颗粒的直径一样长或更长，因此掩盖了颗粒几何形状在键合中的一些重要贡献。结果发现，具有定义明确的面的粒子的行为与几何上不那么复杂的粒子相似。

该团队通过将DNA配体外壳和纳米颗粒形状的影响解耦，克服了这两个障碍。事实上，DNA链在组装过程中是必不可少的——它们就像“胶水”，被操纵着将颗粒粘在一起。但研究人员使用了更短、更灵活的DNA链。短DNA使得纳米颗粒的形状互补性被揭示出来，然后在组装的产品中反映出来。灵活的DNA提供了所需的摆动空间，以适应多面体纳米颗粒大小和形状的轻微缺陷。这种摆动空间允许形状不完美的纳米粒子创造出完美形状的瓷砖。通过这种方式，高度有序的组件通过面对面对齐形成。

买一送一

“通过解耦DNA配体外壳和核心形状的贡献，我们已经打开了纳米技术的新前沿，能够创造出高度有序的胶体晶体，其形状和大小在以前被认为是不可能的。这一突破不仅扩大了胶体晶体的范围，而且为设计超材料提供了一个多功能工具包，”该研究的主要作者之一Wenjie Zhou说。

值得注意的是，这种新策略允许两种重要的设计策略。首先，不完美的多面体或完全不同形状的建筑块可以组装成高度有序的空间填充结构。其次，柔性DNA为非空间填充多面体纳米颗粒的组装提供了额外的自由度，从而产生了具有对称性的复杂晶体，这是以前用DNA胶体晶体工程无法实现的。

拓展设计空间

该研究展示了利用简单的几何考虑来设计大型、填充空间的胶体晶体的能力。所呈现的组件仅代表了这一革命性策略的巨大设计空间的一小部分。因此，将实验和理论相结合以得到有用的目标结构是非常重要的。

Anthony C Lembke化学工程系主任Glotzer说:“在这里，实验工作得到了计算机模拟的证实，我们的理论工作为计算机上发生的事情提供了新的见解。”“通过两种研究模式的结合和共同努力，我们的团队比我们独立工作时了解到更多关于这个系统的知识。这就是为什么跨学科的工作代表了科学和工程的绝对最佳。”

从很多方面来说，这些结果都是出乎意料的。米尔金说:“一个人可以用两个非常不完美的系统来设计DNA结合元素，从而产生近乎完美的充满空间的晶体，这远非显而易见。这是大自然的蓝图在编码材料结果方面的效用的惊人展示。”