在1月18日《科学》杂志上发表的一篇论文中，西北大学和密歇根大学的科学家ChadMirkin和SharonGlotzer及其团队分别介绍了可能影响先进材料制造方式的纳米技术发现。

该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颖的合成策略的力量，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纵玩具积木，将它们很好地组装在一起以填充空间。在纳米尺度上，我们无法用手来操纵纳米颗粒积木，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和纳米粒子具有相同的长度尺度，我们可以用DNA对粒子进行化学编码，这样它们就可以被设计来识别互补粒子，因此DNA有效地成为我们的手。”

这些“手”的设计目的是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作为键合元素来设计纳米颗粒晶体的传统方法尚未实现三维(3D)空间填充的平铺排列。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更短、更灵活的分子配体。具体来说，他们采用了寡乙二醇修饰的DNA。

低聚乙二醇单元充当一种减震器，可调节到适当的长度，以确保形状能够以近乎完美的方式装配在一起。

到目前为止，这种新的建筑材料已经合成了10种新的胶体晶体，这些晶体是用其他方法无法制备的，并且有潜力用于设计和构建具有前所未有特性的超材料。

让真实的色彩闪耀

纳米颗粒本质上是不完美的——即使是同一合成批次中生产的单个纳米颗粒的尺寸和形状也略有不同——这一特征可能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对键合的一些关键贡献。结果发现，具有明确定义面的粒子的行为就像几何形状不太复杂的粒子一样。

该团队通过将DNA配体壳和纳米颗粒形状的贡献分开来克服了这两个障碍。事实上，DNA链对于组装过程至关重要——它们是用来将颗粒粘合在一起的“胶水”。但研究人员使用了更短、更灵活的DNA链。

短DNA使得纳米粒子的形状互补性得以显现，然后反映在组装产品中。灵活的DNA提供了适应多面体纳米粒子尺寸和形状的轻微缺陷所需的回旋空间。

这个回旋空间允许具有不完美形状的纳米颗粒创造出像完美形状一样的瓷砖。通过这种方式，通过面对面对齐形成高度有序的组件。

两个一个的价格

“通过将DNA配体外壳和核心形状的贡献解耦，我们开启了纳米技术的新领域，能够创建高度有序的胶体晶体，其形状和尺寸以前被认为是不可能制造的。这一突破不仅扩大了纳米技术的范围该研究的主要作者之一、前米尔金集团研究生周文杰说：

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具有完全不同形状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粒子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，这是以前用DNA进行胶体晶体工程无法实现的。

拓展设计空间

该研究证明了利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这一革命性策略的巨大设计空间的一小部分。因此，将实验和理论结合起来以获得有用的目标结构非常重要。

“在这里，实验工作通过计算机模拟得到了证实，我们的理论工作为计算机模拟中发生的事情提供了新的见解，”化学工程系主任安东尼·C·伦布克(AnthonyCLembke)系主任格洛泽(Glotzer)说。

“通过结合两种研究模式和共同努力，我们的团队对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最佳成果。”

从很多方面来说，这些结果都是出乎意料的。Mirkin说：“人们能否采用两个高度不完美的系统并设计DNA结合元件来产生近乎完美的充满空间的晶体，这一点还远非显而易见。这是对自然蓝图编码材料结果的效用的惊人演示。”

Mirkin和Glotzer是这篇题为“来自DNA强制形状互补多面体配对的空间平铺胶体晶体”的论文的共同通讯作者。