DNA折纸技术实现纳米尺度机械挫败结构：能量存储与纳米计算的革新路径

研究人员利用DNA折纸技术（DNA origami）首次在纳米尺度实现了机械挫败（mechanical frustration）结构，通过可重构支柱的定向调控，构建了具有独特自由能谱的挫败与非挫败态。该结构在弹性储能、纳米机械计算及DNA纳米机器变构机制中展现出潜力，突破了宏观尺度工程限制，为动态可变形纳米材料设计提供了新范式。

　　

论文解读
在自然界和工程材料中，几何排列的巧妙设计往往能赋予材料超越其组分特性的功能。机械超材料（mechanical metamaterials）通过构建单元的特定排布，已实现负泊松比、形状变形等非凡性能。然而，受限于制造精度，机械挫败（mechanical frustration）——一种类似磁挫败的应变局域化现象——此前仅能在微米级以上尺度实现。如何将这一现象精准复现于纳米尺度，并实现动态调控，成为材料科学与纳米技术交叉领域的重大挑战。

为此，美国普渡大学的研究团队Anirudh S. Madhwacharyula等创新性地将DNA折纸技术与机械设计原理结合，构建了Kagome晶格启发的六边形纳米结构。该结构通过可编程DNA自组装实现了挫败与非挫败态的可逆切换，揭示了纳米尺度下应变分布与自由能景观的独特规律。相关成果发表于《Nature Communications》，为纳米级弹性储能器件和机械逻辑计算提供了全新设计思路。

关键技术方法
研究采用DNA折纸技术构建六边形纳米结构，通过化学加载（chemical loading）和紫外光（UV）触发实现结构重构；利用粗粒化分子动力学（MD）模拟平台oxDNA分析应变分布；结合伞采样（umbrella sampling）计算自由能谱；通过原子力显微镜（AFM）验证结构形貌与动态响应。

研究结果
1. 设计几何挫败
受Kagome晶格启发，团队设计了包含可调支柱（DNA jacks）的六边形DNA折纸结构。通过选择性激活支柱，结构可切换至挫败态（应变局域化）或非挫败态（均匀应变分布）。分子动力学模拟显示，挫败态自由能谱呈现双稳态（17-20 nm和28 nm两个最小值），而非挫败态为单一能量阱（图1h）。

2. 实验验证
通过两步DNA反应（链置换与重退火）和紫外光切割，团队实现了结构态的可逆转换。AFM图像清晰显示挫败态中边缘屈曲（buckling）现象（图2c,h），与非挫败态的均匀形变形成鲜明对比。化学加载施加的力约15 pN，与MD模拟结果一致。

3. 计算力学分析
应变映射揭示挫败态中特定边缘（如27号）持续承受高压缩力（图4f），而非挫败态应变均匀分布。屈曲边缘的弯曲挠度（bend deflection）随时间演化显著偏离基线（图4d），证实挫败态的能量局域化特性。

4. 拓展设计空间
通过调整支柱位置、减少输入数量或引入缺口缺陷（nick defects），团队实现了自由能谱的精准调控。例如，缺陷边缘的刚度降低使挫败态能量阱偏移至18 nm（图5h），而移除输入可恢复结构的适应性（图5c）。

结论与意义
该研究首次在纳米尺度实现了机械挫败的精准设计与动态调控，揭示了DNA折纸结构在能量存储与信息处理中的独特优势：

1. 多稳态控制：挫败态的双稳态特性为纳米机械逻辑计算提供了物理载体；
2. 能量路由：通过缺陷工程和输入调控，可定向分配应变能量，模拟生物分子（如肌动蛋白）的机械信号传递；
3. 跨尺度设计：将宏观力学原理与纳米自组装结合，为下一代超材料开发开辟新路径。

这项工作不仅推动了DNA纳米技术向功能化、智能化发展，也为理解生物系统中的变构机制（allostery）和蛋白质折叠挫败（frustration）提供了人工模型。未来，通过整合更复杂的3D晶格和光/电响应元件，此类结构有望在纳米机器人、靶向药物递送等领域实现突破性应用。