哥伦比亚大学工程师利用DNA纳米技术打造坚韧的3D纳米材料

“这些基于自组装纳米颗粒的材料具有很强的弹性，以至于它们可以在太空中飞行，”化学工程和应用物理学和材料科学教授Oleg Gang说，他领导了3月19日在《Science Advances》杂志上发表的研究。“我们能够将3D DNA-纳米粒子架构从液态--以及从作为一种柔韧的材料--过渡到固态，其中二氧化硅重新加固了DNA支柱。这种新材料完全保持了DNA-纳米粒子晶格的原始框架结构，基本上创造了一个3D无机复制品。这让我们第一次探索--这些纳米材料如何对抗恶劣的条件，它们是如何形成的，以及它们的特性是什么。”

纳米级的材料特性是不同的，研究人员长期以来一直在探索如何将这些微小的材料--厚度是人的头发厚度是1/1000到1/10000--用于各种应用，从制造手机的传感器到为笔记本电脑制造更快的芯片。然而，在实现3D纳米架构方面，制造技术一直具有挑战性。DNA纳米技术可以通过自组装从纳米颗粒中创造出复杂的组织材料，但鉴于DNA的柔软和对环境的依赖性，这种材料可能只在有限的条件下稳定。相比之下，现在新形成的材料可以广泛用于需要这些工程结构的应用。传统的纳米加工技术擅长制造平面结构，而Gang的新方法则可以制造3D纳米材料，这对许多电子、光学和能源应用来说是必不可少的。

Gang是布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心软和生物纳米材料组的组长，他是DNA纳米技术的领军人物，该技术依赖于将DNA链折叠成所需的二维和三维纳米结构。这些纳米结构成为构件，可以通过Watson-Crick相互作用编程，自组装成三维架构。他的小组设计并形成这些DNA纳米结构，将其与纳米颗粒整合，并指导组装基于纳米颗粒的目标材料。而现在，通过这项新技术，该团队可以将这些材料从柔软脆弱过渡到坚固耐用。

这项新研究展示了一种将3D DNA-纳米粒子晶格转化为二氧化硅复制品的有效方法，同时通过DNA支柱保持粒子间连接的拓扑结构和纳米粒子组织的完整性。硅石之所以能很好地发挥作用，是因为它有助于保留母体DNA晶格的纳米结构，形成底层DNA的稳健铸型，并且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研究小组的博士生Aaron Michelson说。“它在空气中变得稳定，并且可以干燥，并且可以首次在真实空间中对材料进行3D纳米级分析。此外，二氧化硅提供了强度和化学稳定性，它的成本很低，可以根据需要进行修改--这是一种非常方便的材料。”

为了更多地了解他们的纳米结构的特性，该团队将转换为二氧化硅的DNA-纳米颗粒晶格暴露在极端条件下：高于10000摄氏度的高温和超过8GPa的高机械应力（约为大气压力的80000倍，或世界最深海沟马里亚纳海沟的80倍），并在原地研究这些过程。为了衡量这些结构的应用可行性和进一步的加工步骤，研究人员还将它们暴露在高剂量的辐射和聚焦离子束下。

“我们对这些结构与传统纳米加工技术耦合的适用性的分析表明，通过基于DNA的方法生成弹性纳米材料的真正强大的平台，以发现它们的新特性，”Gang指出。“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纳米材料组装，并且仍然可以使用全部的传统材料加工步骤。这种新型和传统纳米加工方法的整合是实现力学、电子学、质子学、光子学、超导和能源材料进步所需要的。”

基于Gang工作的合作已经导致了新颖的超导性和将二氧化硅转化为导电和半导电介质以进行进一步加工。这些研究包括早前发表在《自然通讯》上的一项研究和最近发表在《纳米通讯》上的一项研究。研究人员还计划对该结构进行修改，以制造具有非常理想的机械和光学性能的广泛材料。

“计算机用硅制造已经超过40年了，”Gang补充道。“花了40年时间才将平面结构和设备的制造推到10纳米左右。现在，我们可以在试管中制作和组装纳米物体，无需昂贵的工具，只需几个小时。现在，一个晶格上的80亿个连接可以通过我们可以设计的纳米级工艺进行协调自组装。每个连接可以是一个晶体管、一个传感器或一个光发射器--每个连接都可以是一个位数据的存储。虽然摩尔定律的发展速度正在放缓，但DNA组装方法的可编程性是可以带着我们前进的，用于解决新型材料和纳米制造的问题。虽然这对于目前的方法来说极具挑战性，但对于新兴技术来说却非常重要。”