期望的纳米对象：以3-D组装有序纳米结构

 
材料体素的3-D有序纳米结构的可编程组装示意图，该体素可以承载具有不同功能的无机或有机纳米粒子，例如具有化学活性的发光体和吸收体，蛋白质和酶。材料体素是由不同种类的DNA和纳米物体制成的，其组装受体素设计和DNA可编程相互作用的指导。图片来源：布鲁克海文国家实验室的科学家们开发了一个平台，用于将无机或有机类型非常不同的纳米级材料组件或“纳米物体”组装到所需的3D结构中。尽管自组装(SA)已成功用于组织多种类型的纳米材料，但是该过程却具有特定于系统的特性，可以根据材料的固有特性生成不同的结构。正如今天在《自然材料》上发表的一篇论文所报道的那样，他们的新的DNA可编程的纳米加工平台可用于以相同的规定方式在纳米级(十亿分之一米)组织各种3-D材料，其中独特的光学，化学，然后出现其他属性。
通讯作者Oleg Gang解释说：“为什么SA不是实际应用中选择的技术的主要原因之一是，不能在广泛的材料上应用相同的SA工艺来从不同的纳米成分创建相同的3D有序阵列，” ，功能纳米材料中心(CFN)的软和生物纳米材料小组负责人-美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的科学用户设施办公室-化学工程以及应用物理和材料科学教授在哥伦比亚工程公司。 “在这里，我们通过设计可以封装各种无机或有机纳米物体(包括金属，半导体，甚至蛋白质和酶)的刚性多面体DNA框架，使SA工艺与材料性能脱钩。”
科学家设计了立方体，八面体和四面体形状的合成DNA框架。框架内部是DNA“臂”，只有具有互补DNA序列的纳米物体才能结合。这些物质体素-DNA框架和纳米物体的整合-是可以用来制造宏观3-D结构的基础。框架根据它们在其顶点处编码的互补序列而相互连接，而不管内部(或不存在)何种纳米物体。根据其形状，框架具有不同数量的顶点，因此形成完全不同的结构。容纳在框架内的任何纳米物体都具有特定的框架结构。
从无机和有机纳米物体组装3D晶格的平台示意图，其DNA框架的形状为四面体(顶行)，八面体(中间行)和立方体(底行)。帧价由顶点确定，并且对应于连接(键)的数量以及这些连接相对于彼此的组织方式。例如，四面体框架的化合价为四。产生的3-D晶格基于DNA框架的形状-四面体框架组装成菱形结构，八面体组装成简单立方，而立方组装成以体心为中心的立方-不管里面有哪个纳米物体(如果有)框架。为了证明其组装方法，科学家选择了金属(金)和半导体(硒化镉)纳米颗粒以及细菌蛋白(链霉亲和素)作为要放置在DNA框架内的无机和有机纳米物体。首先，他们通过CFN电子显微镜设施和Van Andel研究所的电子显微镜成像，确认了DNA框架的完整性和材料体素的形成，该公司拥有一套在低温下操作生物样品的仪器。然后，他们在国家同步加速器光源II(NSLS-II)的相干硬X射线散射和复杂材料散射的光束线上探查了3-D晶格结构-这是布鲁克海文实验室的另一DOE科学用户设施办公室。哥伦比亚工程化学工程学院的Bykhovsky教授Sanat Kumar及其小组进行了计算建模，结果表明，实验观察到的晶格结构(基于X射线散射图)是材料体素可以形成的最热力学稳定的晶格结构。
Kumar解释说：“这些物质体素使我们可以开始使用源自原子(和分子)及其形成的晶体的思想，并将这些广泛的知识和数据库移植到纳米级感兴趣的系统中。”
然后，Gang在哥伦比亚的学生演示了如何使用组装平台来驱动具有化学和光学功能的两种不同材料的组织。在一种情况下，他们共同组装了两种酶，从而产生了具有高堆积密度的3-D阵列。尽管这些酶在化学上保持不变，但它们的酶活性却提高了约四倍。这些“纳米反应器”可用于操纵级联反应并使化学活性材料的制造成为可能。在光学材料演示中，他们混合了两种不同颜色的量子点-一种微小的纳米晶体，这些晶体被用于制作具有高色彩饱和度和亮度的电视显示器。用荧光显微镜拍摄的图像显示，形成的晶格保持色纯度低于光的衍射极限(波长);此属性可以显着提高各种显示和光通信技术的分辨率。
刚说：“我们需要重新考虑如何形成材料以及它们如何发挥作用。” “材料的重新设计可能不是必需的;简单地以新方式包装现有材料可以增强它们的性能。潜在地，我们的平台可以成为一项“超越3D打印制造”的使能技术，以控制更小规模，更大材料种类的材料。使用相同的方法从不同材料类别的所需纳米物体上形成3-D晶格，将那些原本被认为不相容的纳米物体整合在一起，将彻底改变纳米制造技术。”