哥伦比亚大学工程研究人员与布鲁克海文国家实验室合作,他们已经设计出了基于纳米颗粒的3D材料,可以承受真空、高温、高压和高辐射。


这种新的制造工艺产生了健壮的、经过全面工程设计的纳米尺度框架,不仅可以容纳各种功能纳米颗粒类型,而且可以用传统的纳米制造方法快速处理。


这些基于纳米粒子的自组装材料非常有弹性,可以在太空中飞行,化学工程和应用物理与材料科学教授奥列格·冈(Oleg Gang)说。他领导了这项研究,发表在《科学进展》(science Advances)上(《Resilient three-dimensional ordered architectures assembled from nanoparticles by DNA》)。他说,我们能够将3D DNA-纳米粒子结构从液态和柔韧材料转变为固态,在固态中二氧化硅增强DNA结构。这种新材料完全保留了其原始的dna -纳米粒子晶格结构,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如何在恶劣的条件下生存,它们是如何形成的,以及它们的特性是什么。


材料属性是不同的在纳米尺度上,研究人员一直在探索如何使用这些小材料,从1 000到10 000倍小于人类头发的厚度,在各种各样的应用程序,从让手机传感器构建为笔记本电脑更快的芯片。然而,在实现3D纳米结构方面,制造技术一直具有挑战性。


DNA纳米技术能够通过自组装从纳米粒子中创造出复杂组织的材料,但是考虑到DNA的柔软和环境依赖性,这些材料可能只在一个狭窄的条件范围内是稳定的。


相比之下,新形成的材料现在可以在需要这些工程结构的广泛应用中使用。传统的纳米制造技术擅长制造平面结构,而Gang的新方法允许制造3D纳米材料,这些材料在许多电子、光学和能源应用中变得至关重要。


他同时担任布鲁克海文实验室功能纳米材料中心软纳米材料和生物纳米材料小组的组长,是DNA纳米技术的前沿人物。DNA纳米技术依赖于将DNA链折叠成所需的二维和三维纳米结构。这些纳米结构成为可以通过沃森-克里克相互作用编程的构件,自组装成3D结构。


他的团队设计并形成了这些DNA纳米结构,将它们与纳米粒子整合,并指导定向的纳米粒子基材料的组装。现在,有了这项新技术,研究小组可以把这些材料从柔软易碎变成坚固耐用。


这项新研究证明了一种有效的方法,可以将三维DNA-纳米粒子晶格转化为二氧化硅复制品,同时通过DNA支柱和纳米粒子组织的完整性来维持粒子间连接的拓扑结构。二氧化硅的作用很好,因为它有助于保留母体DNA晶格的纳米结构,形成底层DNA的坚固结构,并且不影响纳米粒子的排列。


这种晶格中的DNA具有二氧化硅的性质,冈的一个博士研究生亚伦·迈克尔逊说,它在空气中变得稳定,可以干燥,并允许在真实空间中首次对材料进行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,可以根据需要进行改性,是一种非常方便的材料。

研究人员利用DNA纳米技术 构建坚韧的合成纳米材料

由DNA四面体(约30纳米)和金纳米粒子形成的三维晶格矿化,形成全无机的结构保留的三维硅金复制品。(图片来源:哥伦比亚工程学院奥列格·冈)


了解更多关于他们的纳米结构的属性,团队接触转化为二氧化硅DNA-nanoparticles晶格极端条件:高温10 000°C以上和高机械应力除以8 gpa(超过大气压力,80000倍或80倍在最深的海洋,马里亚纳海沟),并研究这些过程现场。为了评估这种结构在应用和进一步处理步骤上的可行性,研究人员还将它们暴露在高剂量的辐射和聚焦离子束中。


冈指出,我们对这些结构与传统纳米制造技术结合的适用性进行了分析,结果表明,这是一个真正强大的平台,可以通过基于dna的方法生成有弹性的纳米材料,从而发现它们的新特性。这是一个巨大的进步,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,同时仍然可以获得常规材料的全部加工步骤。这种新型和传统纳米制造方法的结合,是在力学、电子、等离子体、光子、超导和能源材料方面取得进展所必需的。

研究人员利用DNA纳米技术 构建坚韧的合成纳米材料

由多面体DNA纳米框架(四面体、立方体和八面体)和金纳米颗粒形成的不同类型的纳米尺度晶格在可控的二氧化硅涂层厚度(从大约5nm到完全填充空间)下矿化。(图片来源:哥伦比亚工程学院奥列格·冈)


基于冈工作的合作已经导致了新的超导性,并将二氧化硅转化为导电和半导体介质,用于进一步加工。其中包括《自然通讯》(Nature Communications)早些时候发表的一项研究(“dna组装的超导3D纳米尺度架构”)和《纳米快报》(Nano Letters)最近发表的一项研究(“通过dna指定组装的工程碳化硅三维框架”)。


研究人员还计划修改结构,以制造出具有高度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,冈补充道,我们花了40年的时间才将平面结构和器件的制造降低到大约10纳米。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。单个晶格上的80亿个连接现在可以通过我们可以设计的纳米级过程来协调自我组装。每一个连接都可以是一个晶体管,一个传感器,或者一个光发射器,每一个都可以是存储的一点数据。虽然摩尔定律正在放缓,但DNA组装方法的可编程性将推动我们继续解决新材料和纳米制造方面的问题。虽然这对目前的方法来说极具挑战性,但对新兴技术来说非常重要。


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