逆向设计可编程键合实现三维纳米结构层次化组装的编码策略

本研究通过DNA体素（voxel）的定向可编程键合，开发了一种逆向设计策略，成功构建了具有层次化有序结构的三维纳米材料。研究人员利用DNA编码的"色键"（chromatic bonds）实现纳米颗粒（NPs）的精确空间排布，制备出包括低维结构、螺旋基元、类钙钛矿晶体及等离子体-光子混合布拉格反射器等多种功能材料。该成果为跨尺度纳米制造提供了新范式，发表于《Nature Materials》。

　　

在纳米科技领域，如何实现纳米组分的三维精确排列一直是重大挑战。传统自上而下的加工方法难以构建复杂的三维纳米结构，而自组装技术虽能形成有序结构，却缺乏对多尺度组织的精确控制。美国布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）和哥伦比亚大学的研究团队在《Nature Materials》发表突破性成果，提出了一种基于DNA体素的逆向设计策略，通过编码"色键"实现了纳米颗粒的层次化三维组装。

研究团队采用DNA折纸技术构建八面体框架作为基本体素，每个顶点设计特异性单链DNA粘性末端实现定向键合。通过蒙特卡洛模拟和实验验证，发现信息压缩程度最高的"介观体素"（mesovoxel）设计方案能最优组装出大尺寸晶体。关键技术包括：1）DNA折纸八面体的设计与合成；2）金纳米颗粒的DNA功能化修饰；3）小角X射线散射（SAXS）结构表征；4）聚焦离子束（FIB）切片三维重构；5）等离子体光学性能测试。

研究结果部分：

1. 低维纳米组织在三维网格中的构建
   通过[4,3,1]介观体素设计，成功制备了交替排列的纳米颗粒链（1D）和平面（2D）结构。SAXS证实其形成原始四方晶格，NP间距与设计值吻合（59.1 nm和83.6 nm）。

1. 纳米尺度面心钙钛矿类似物
   对比[4,3,1]（Mesovoxel 3）和[6,7,3]（Mesovoxel 4）两种设计方案，发现信息压缩程度更高的前者能形成更大（~12μm）且更完整的立方晶体。蒙特卡洛模拟显示完全指定的27体素设计反而无法结晶。

2. 螺旋基元的有序组织
   通过[3,4,1]、[4,8,1]和[4,12,1]三种介观体素设计均实现了螺旋NP超晶格（空间群I4,22），其中最小信息集的Mesovoxel 5产生最大晶体（~10μm）。

3. 等离子体-光子混合布拉格反射器
   [6,5,1]介观体素设计的结构实现了233.4 nm的光子尺度层间距和58.3 nm的等离子体尺度面内间距，反射光谱显示625-650 nm处有明显的布拉格峰。

这项研究建立了"信息压缩"作为逆向设计的基本原则，证明最小化体素类型和色键数量能显著提高组装效率。其重要意义在于：1）为功能性纳米材料（如光学器件）的精准制造提供新方法；2）通过DNA编码实现原子晶体结构的纳米类比；3）开发的硅化转化技术使DNA组装体具备实际应用稳定性。正如通讯作者Oleg Gang强调的，该方法为能源材料、生物医学等领域的三维纳米制造开辟了新途径。