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工程師用DNA納米技術(shù)打造堅(jiān)韌的3D納米材料 “這些基于自組裝納米顆粒的材料具有很強(qiáng)的彈性，以至于它們可以在太空中飛行，”化學(xué)工程和應(yīng)用物理學(xué)和材料科學(xué)教授Oleg Gang說，他領(lǐng)導(dǎo)了3月19日在《Science Advances》雜志上發(fā)表的研究�！拔覀兡軌�?qū)?D DNA-納米粒子架構(gòu)從液態(tài)--以及從作為一種柔韌的材料--過渡到固態(tài)，其中二氧化硅重新加固了DNA支柱。這種新材料完全保持了DNA-納米粒子晶格的原始框架結(jié)構(gòu)，基本上創(chuàng)造了一個3D無機(jī)復(fù)制品。這讓我們第一次探索--這些納米材料如何對抗惡劣的條件，它們是如何形成的，以及它們的特性是什么。” 納米級的材料特性是不同的，研究人員長期以來一直在探索如何將這些微小的材料--厚度是人的頭發(fā)厚度是1/1000到1/10000--用于各種應(yīng)用，從制造手機(jī)的傳感器到為筆記本電腦制造更快的芯片。然而，在實(shí)現(xiàn)3D納米架構(gòu)方面，制造技術(shù)一直具有挑戰(zhàn)性。DNA納米技術(shù)可以通過自組裝從納米顆粒中創(chuàng)造出復(fù)雜的組織材料，但鑒于DNA的柔軟和對環(huán)境的依賴性，這種材料可能只在有限的條件下穩(wěn)定。相比之下，現(xiàn)在新形成的材料可以廣泛用于需要這些工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。傳統(tǒng)的納米加工技術(shù)擅長制造平面結(jié)構(gòu)，而Gang的新方法則可以制造3D納米材料，這對許多電子、光學(xué)和能源應(yīng)用來說是必不可少的。 Gang是布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室功能納米材料中心軟和生物納米材料組的組長，他是DNA納米技術(shù)的領(lǐng)軍人物，該技術(shù)依賴于將DNA鏈折疊成所需的二維和三維納米結(jié)構(gòu)。這些納米結(jié)構(gòu)成為構(gòu)件，可以通過Watson-Crick相互作用編程，自組裝成三維架構(gòu)。他的小組設(shè)計(jì)并形成這些DNA納米結(jié)構(gòu)，將其與納米顆粒整合，并指導(dǎo)組裝基于納米顆粒的目標(biāo)材料。而現(xiàn)在，通過這項(xiàng)新技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)可以將這些材料從柔軟脆弱過渡到堅(jiān)固耐用。 這項(xiàng)新研究展示了一種將3D DNA-納米粒子晶格轉(zhuǎn)化為二氧化硅復(fù)制品的有效方法，同時通過DNA支柱保持粒子間連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和納米粒子組織的完整性。硅石之所以能很好地發(fā)揮作用，是因?yàn)樗兄诒Ａ裟阁wDNA晶格的納米結(jié)構(gòu)，形成底層DNA的穩(wěn)健鑄型，并且不影響納米粒子的排列。 “這種晶格中的DNA具有二氧化硅的特性，”Gang研究小組的博士生Aaron Michelson說。“它在空氣中變得穩(wěn)定，并且可以干燥，并且可以首次在真實(shí)空間中對材料進(jìn)行3D納米級分析。此外，二氧化硅提供了強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，它的成本很低，可以根據(jù)需要進(jìn)行修改--這是一種非常方便的材料�！� 為了更多地了解他們的納米結(jié)構(gòu)的特性，該團(tuán)隊(duì)將轉(zhuǎn)換為二氧化硅的DNA-納米顆粒晶格暴露在極端條件下：高于10000攝氏度的高溫和超過8GPa的高機(jī)械應(yīng)力（約為大氣壓力的80000倍，或世界最深海溝馬里亞納海溝的80倍），并在原地研究這些過程。為了衡量這些結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可行性和進(jìn)一步的加工步驟，研究人員還將它們暴露在高劑量的輻射和聚焦離子束下。  “我們對這些結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)納米加工技術(shù)耦合的適用性的分析表明，通過基于DNA的方法生成彈性納米材料的真正強(qiáng)大的平臺，以發(fā)現(xiàn)它們的新特性，”Gang指出�！斑@是向前邁出的一大步，因?yàn)檫@些特定的特性意味著我們可以使用我們的3D納米材料組裝，并且仍然可以使用全部的傳統(tǒng)材料加工步驟。這種新型和傳統(tǒng)納米加工方法的整合是實(shí)現(xiàn)力學(xué)、電子學(xué)、質(zhì)子學(xué)、光子學(xué)、超導(dǎo)和能源材料進(jìn)步所需要的�！� 基于Gang工作的合作已經(jīng)導(dǎo)致了新穎的超導(dǎo)性和將二氧化硅轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電和半導(dǎo)電介質(zhì)以進(jìn)行進(jìn)一步加工。這些研究包括早前發(fā)表在《自然通訊》上的一項(xiàng)研究和最近發(fā)表在《納米通訊》上的一項(xiàng)研究。研究人員還計(jì)劃對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，以制造具有非常理想的機(jī)械和光學(xué)性能的廣泛材料。 “計(jì)算機(jī)用硅制造已經(jīng)超過40年了，”Gang補(bǔ)充道�！盎�40年時間才將平面結(jié)構(gòu)和設(shè)備的制造推到10納米左右。現(xiàn)在，我們可以在試管中制作和組裝納米物體，無需昂貴的工具，只需幾個小時�，F(xiàn)在，一個晶格上的80億個連接可以通過我們可以設(shè)計(jì)的納米級工藝進(jìn)行協(xié)調(diào)自組裝。每個連接可以是一個晶體管、一個傳感器或一個光發(fā)射器--每個連接都可以是一個位數(shù)據(jù)的存儲。雖然摩爾定律的發(fā)展速度正在放緩，但DNA組裝方法的可編程性是可以帶著我們前進(jìn)的，用于解決新型材料和納米制造的問題。雖然這對于目前的方法來說極具挑戰(zhàn)性，但對于新興技術(shù)來說卻非常重要�！� |
