用DNA构建坚硬的3D纳米材料

“这些自组装纳米粒子化学工程和应用物理学教授Oleg Gang说材料科学。“我们能够将3D dna -纳米颗粒结构从液态和柔韧性材料过渡到固态，其中二氧化硅可以加强脱氧核糖核酸struts。这种新材料完全保留了dna -纳米粒子晶格的原始框架结构，本质上创造了一个三维无机复制品。这让我们第一次探索这些纳米材料可以对抗恶劣的环境，它们是如何形成的，以及它们的属性是什么。”

材料在纳米尺度上的特性是不同的，研究人员长期以来一直在探索如何利用这些比人类头发细1000到10000倍的微小材料在各种各样的应用中，从制造手机传感器到为笔记本电脑制造速度更快的芯片。然而，在实现三维纳米结构方面，制造技术一直是一个挑战。DNA纳米技术能够通过自组装从纳米粒子创造出复杂组织的材料，但考虑到DNA的柔软和环境依赖的性质，这些材料可能只在一个狭窄的条件下稳定。相比之下，新形成的材料现在可以广泛应用于需要这些工程结构的领域。虽然传统奈米制造由于擅长创建平面结构，Gang的新方法可以制造3D纳米材料，这对许多电子、光学和能源应用来说都是必不可少的。

Gang是布鲁克海文实验室功能纳米材料中心软质和生物纳米材料小组的组长，他是DNA研究的先锋纳米技术它依靠将DNA链折叠成所需的二维和三维纳米结构。这些纳米结构成为积木，可以通过沃森-克里克相互作用编程，自组装成3D结构。他的团队设计并形成这些DNA纳米结构，将它们与纳米颗粒整合在一起，并指导靶向纳米颗粒材料的组装。现在，有了这项新技术，研究小组可以将这些柔软易碎的材料转变为坚固耐用的材料。

这项新研究证明了一种将3D DNA-纳米颗粒格子转化为二氧化硅复制体的有效方法，同时通过DNA杆保持粒子间连接的拓扑结构和纳米颗粒组织的完整性。二氧化硅工作得很好，因为它有助于保留母细胞DNA晶格的纳米结构，形成坚实的底层DNA，不影响纳米粒子的排列。

“这种晶格中的DNA具有二氧化硅的特性，”Gang小组的博士生Aaron Michelson说。“它在空气中变得稳定，可以干燥，并允许首次在真实空间中对材料进行3D纳米级分析。此外，二氧化硅具有强度和化学稳定性，成本低，而且可以根据需要进行修改——这是一种非常方便的材料。”

要了解更多有关纳米结构的性质的更多信息，团队将转化为二氧化硅DNA-纳米粒子的晶格暴露于极端条件：高于1,000c高于1,000c的高温，8gpa的高机械应力（比大气压的约80,000倍，或者超过80倍。在最深的海洋地方，玛丽安娜沟渠，并在原位研究这些过程。为了衡量结构的应用和进一步加工步骤的可行性，研究人员还将它们暴露于高剂量的辐射和聚焦离子束。

DNA nano-frames

Gang指出:“我们对这些结构与传统纳米制造技术相结合的适用性的分析表明，通过基于dna的方法发现纳米材料的新特性，可以生成弹性纳米材料，这是一个真正强大的平台。”“这是向前迈出的一大步，因为这些特定的特性意味着我们可以使用我们的3D纳米材料组件，同时仍然可以使用传统材料的全部加工步骤。这种新型和常规纳米制造方法的结合，需要在力学、电子学、等离子体、光子学、超导和能源材料方面取得进展。”

基于帮派工作的合作已经导致了新型超导性和二氧化硅转化为导电和半导电介质，以进一步加工。这些包括自然通信发布的早期研究，最近由纳米字母发布的研究。研究人员还计划修改结构，以使具有非常理想的机械和光学性能的广泛材料。

“用硅制造计算机已经有40多年的历史了，”Gang补充道。“我们花了40年的时间，才将平面结构和器件的制造速度降至10纳米左右。现在我们可以在几个小时内在试管中制造和组装纳米物体，而不需要昂贵的工具。一个晶格上的80亿个连接现在可以通过我们可以设计的纳米尺度的过程来进行自我组装。每个连接可以是一个晶体管、一个传感器或一个光发射器——每个都可以存储一些数据。虽然摩尔定律正在减缓，但DNA组装方法的可编程性将推动我们在新材料和纳米制造方面解决问题。虽然这对目前的方法来说是极具挑战性的，但对新兴技术来说却极为重要。”

这项研究发表于科学的进步．