今天《自然材料》上新发表的一篇论文描述了一个新的平台,可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。新的DNA可编程的纳米加工平台可以应用于以纳米级(十亿分之一米)相同的规定方式组织各种3-D材料,可出现独特的光学,化学和其他属性。


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。


3D组装有序纳米结构 一项“超越3D打印制造”的新技术


SA不是实际应用中选择的技术的主要原因


自组装(SA)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,发表的新方法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。


3D组装有序纳米结构 一项“超越3D打印制造”的新技术


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。


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框架。


研究小组为了证明其组装方法,选择了金属(金)和半导体(硒化镉)纳米粒子以及细菌蛋白(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。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。


然后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。


新平台有可能成为一项“超越3D打印制造”的技术,控制更小规模,更大材料种类的材料,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。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。


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