用DNA构建的纳米颗粒准晶体

这一突破为设计和建造更复杂的结构开辟了道路

安娜堡 – 纳米工程师已经创造了一种准晶体 – 一种科学上有趣且技术上有前途的材料结构 – 使用DNA的纳米颗粒，DNA是编码生命的分子。

该团队由西北大学，密歇根大学和西班牙圣塞巴斯蒂安生物材料合作研究中心的研究人员领导，在Nature Materials上报告了结果。

与由重复结构定义的普通晶体不同，准晶体中的图案不会重复。由原子构成的准晶体可以具有特殊的特性，例如，以不同的方式吸收热量和光，表现出不寻常的电子特性，例如无电阻导电，或者它们的表面非常坚硬或非常光滑。

研究纳米级组装的工程师通常将纳米粒子视为一种“设计原子”，这为合成材料提供了新的控制水平。其中一个挑战是引导粒子组装成具有有用品质的所需结构，在构建第一个DNA组装的准晶体时，该团队进入了纳米材料设计的新领域。

“几十年来，准晶体的存在一直是一个谜，它们的发现恰如其分地获得了诺贝尔奖，”西北大学George B. Rathmann化学教授、该研究的共同通讯作者Chad Mirkin说。“虽然现在有几个已知的例子，在自然界中或通过偶然的途径发现，但我们的研究揭开了它们的形成的神秘面纱，更重要的是展示了我们如何利用DNA的可编程特性来设计和组装准晶体。

Mirkin的团队以使用DNA作为设计胶来设计由纳米颗粒制成的胶体晶体的形成而闻名，而西班牙生物材料合作研究中心的Ikerbasque教授Luis Liz-Marzán的团队可以产生可能在适当条件下形成准晶体的纳米颗粒。该团队专注于双锥体形状 – 基本上是两个金字塔在其底部粘在一起。Liz-Marzán 的团队尝试了不同数量的侧面，以及挤压和拉伸形状。然后，当时西北大学化学专业的博士生Wenjie Zhou和Haixin Lin使用编码的DNA链来识别彼此，对粒子进行编程，使其组装成准晶体。

独立地，密歇根大学化学工程系的Anthony C. Lembke主席Sharon Glotzer的团队一直在模拟具有不同边数的双锥体。密西根大学化学工程专业的博士生Yein Lim和Sangmin Lee发现，十面体（10边形五边形双锥体）在某些条件下会形成准晶体，并且具有正确的相对尺寸。

2009年，Glotzer的团队预测了第一个层状纳米颗粒准晶体，不是来自双锥体，而是来自四面体 – 具有四个三角形边的单个金字塔，就像D4芯片一样。因为五个四面体几乎可以制造出一种十面体，所以她说十面体是制造准晶体的明智选择。

“在我们最初的准晶体模拟中，四面体排列成十面体，四面体之间的间隙非常小。在这里，这些空白将被DNA填补，因此十面体也可能制造准晶体是有道理的，“该研究的共同通讯作者Glotzer说。

通过理论与实验相结合，三个研究小组将十面体粒子制成准晶体，并通过西北大学的电子显微镜成像和阿贡国家实验室的X射线散射证实了这一点。

“通过胶体准晶体的成功工程，我们在纳米科学领域取得了一个重要的里程碑，”该研究的共同通讯作者Liz-Marzán说。“我们的工作不仅揭示了复杂纳米级结构的设计和创建，而且还为先进材料和创新纳米技术应用开辟了一个充满可能性的世界。

该结构类似于同心圆中的玫瑰花结阵列，10 边形在周期性堆叠的 2D 层中形成 12 倍对称性。这种堆叠结构，也见于由四面体制成的准晶体，称为轴向准晶体。但与大多数轴向准晶体不同的是，新准晶体层的平铺图案在一层到下一层之间不会完全相同地重复。取而代之的是，很大一部分瓷砖是随机不同的，而这种少量的无序增加了稳定性。

该研究由美国空军科学研究办公室、美国能源部、西班牙科学与创新部以及西班牙国家研究局的玛丽亚·德·梅兹图卓越单位计划资助。该项目还依赖于极端科学与工程发现环境、西北大学NUANCE和密歇根大学的计算资源。

格洛策还是约翰·沃纳·卡恩杰出大学工程学教授和斯图尔特·丘吉尔化学工程学院教授。

研究：用DNA工程改造的胶体准晶体 （DOI： 10.1038/s41563-023-01706-x）

与塞思·齐默尔曼（Seth Zimmerman）合作撰写