伊利诺伊州埃文斯顿在1月18日发布在《科学》杂志上的一篇论文中，西北大学和密歇根大学的科学家查德·米尔金和莎朗·格洛泽及其团队分别介绍了纳米技术的发现，这些发现可能会影响先进材料的制造方式。
这篇论文描述了组装多面体纳米粒子的重大飞跃。研究人员介绍并展示了一种新型合成策略的力量，该策略扩展了超材料设计的可能性。这些是支撑“隐形斗篷”和超高速光学计算系统的不寻常材料。
“我们在日常生活中用双手操纵宏观材料，”温伯格艺术与科学学院的乔治·B·拉斯曼化学教授米尔金说。“即使是学龄前儿童也可以轻松操作玩具积木，将它们很好地组合在一起以填充空间。在纳米尺度上，我们不能用手来操纵纳米颗粒的构建块，因为我们的手和纳米颗粒之间存在巨大的尺寸差异。
“因为DNA和纳米颗粒的尺寸在相同的长度尺度上，我们可以用DNA对颗粒进行化学编码，因此它们可以被设计成识别互补颗粒，因此DNA有效地成为我们的手。
这些“手”旨在识别具有互补形状的粒子，并将它们排列成填充空间的结构。
一种制造有用纳米颗粒晶体的新方法
使用DNA作为键合元件设计纳米颗粒晶体的传统方法尚未导致三维充满空间的平铺排列。为了获得这些有用的充满空间的晶体，西北大学的研究人员采用了比通常使用的配体更短、更灵活的分子配体。具体来说，他们采用了低聚乙二醇修饰的DNA。低聚乙二醇装置充当一种减震器，可调整到适当的长度，以确保形状能够以近乎完美的方式组合在一起。到目前为止，这种新的建筑材料已经导致了10种新的胶体晶体的合成，这些晶体是无法通过其他方式制备的，并且有可能用于设计和构建具有前所未有的性能的超材料。
纳米颗粒本质上是不完美的——即使是在同一合成批次中生产的单个纳米颗粒，其大小和形状也略有不同——这一特征会限制它们在组装时有效填充空间的能力。此外，传统上用于组装的DNA链几乎与颗粒的直径一样长或更长，因此掩盖了颗粒几何形状在键合中的一些关键贡献。结果 - 具有明确定义的刻面的粒子被发现表现得像几何复杂程度较低的粒子。
该团队通过解耦DNA配体外壳和纳米颗粒形状的贡献来克服这两个障碍。事实上，DNA链对组装过程至关重要——它们是纵以将颗粒固定在一起的“胶水”。但研究人员使用的DNA链更短，更灵活。短DNA允许纳米颗粒的形状互补性被揭示出来，然后反映在组装的产品中。柔性DNA提供了适应多面体纳米颗粒大小和形状的轻微缺陷所需的回旋余地。这个回旋余地允许形状不完美的纳米颗粒产生像完美形状的平铺一样的平铺。通过这种方式，通过面对齐形成高度有序的组件。
“通过解耦DNA配体外壳和核心形状的贡献，我们开辟了纳米技术的新前沿，能够创造出高度有序的胶体晶体，其形状和尺寸以前被认为不可能制造。这一突破不仅扩大了胶体晶体的范围，而且还为设计超材料提供了一个多功能的工具包，“该研究的主要作者之一、前Mirkin集团研究生Wenjie 周说。
值得注意的是，这种新策略允许两种重要的设计策略。首先，不完美的多面体构件或形状完全不同的构件可以组装成高度有序的空间填充结构。其次，柔性DNA为非空间填充多面体纳米颗粒的组装提供了额外的自由度，从而产生了具有对称性的复杂晶体，这是以前使用DNA进行胶体晶体工程无法实现的。
该研究表明，使用简单的几何考虑来设计大型、充满空间的胶体晶体的能力。所展示的组件仅代表了这一革命性战略巨大设计空间的一小部分。因此，将实验和理论结合起来以得出有用的目标结构非常重要。
“在这里，实验工作得到了计算机模拟的证实，我们的理论工作为计算机模拟提供了新的见解，”Anthony C Lembke化学工程系主任Glotzer说。“通过结合两种研究模式和合作，我们的团队对该系统的了解比我们独立工作时要多得多。这就是为什么跨学科工作代表了科学和工程的绝对精华。
在许多方面，这些结果都是出乎意料的。Mirkin说：“人们可以采用两个高度不完美的系统来设计DNA键合元件，从而产生近乎完美的充满空间的晶体，这远非显而易见。这是大自然蓝图在编码材料结果方面的效用的惊人证明。
Mirkin 和 Glotzer 是论文的共同通讯作者，论文标题为“来自 DNA-forced shape-complementary polyhedra pairing 的 Space-tileed colloidal crystals”。
国际纳米技术研究所成立于 2000 年，是一个旨在凝聚和促进纳米技术工作的伞式组织，由 Mirkin 领导、代表和联合超过 12 亿美元的纳米技术研究、教育计划和支持基础设施
