通过 DNA 可编程组装创造创新的 3D 纳米材料

哥伦比亚大学，纽约州，纽约

帝国大厦建成时，它的 102 层楼一层一层地耸立在市中心之上，每个单独的元素结合在一起，在 40 年来成为世界上最高的建筑。在哥伦比亚住宅区，奥列格·冈和他的化学工程实验室并不是在建造装饰艺术建筑；而是在建造。他们的地标是非常小的设备，由自行排列的纳米级构建块构建而成。

“我们现在可以用自组装纳米组件构建复杂的指定 3D 组织，这是一种纳米级版本的帝国大厦，”哥伦比亚工程学院化学工程、应用物理和材料科学教授、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组长 Gang 说。

Gang 表示：“通过设计制造 3D 纳米级材料的能力对于许多新兴应用至关重要，从光操纵到神经形态计算，从催化材料到生物分子支架和反应器。”

两篇论文，其中一篇发表在《自然材料》上 第二个是 ACS Nano Gang 和他的同事描述了一种通过自组装制造目标 3D 纳米级结构的新方法，该方法可用于各种应用，并且他们提供了一种设计算法供其他人效仿。这一切都基于最基本的生物分子构建模块：DNA。

当涉及微电子的小规模制造时，传统方法基于自上而下的策略。一种常见的方法是光刻，它使用强大的光线和复杂的模板来蚀刻电路。但主流光刻技术难以应对复杂的三维结构，而增材制造（即 3D 打印）尚无法制造纳米级特征。在工作流程方面，这两种方法都是逐个、连续地制造每个特征。对于构建 3D 对象来说，这本质上是一个缓慢的过程。

Gang 从生物系统中汲取灵感，通过 DNA 指导的自组装过程自下而上构建 3D 材料和设备。他一直通过与其他科学家合作来完善自己的方法，例如构建他们工作所需的极小型电子设备。

两个月前，他和他以前的学生、现任布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心科学家的亚伦·迈克尔逊 (Aaron Michelson) 为明尼苏达大学有兴趣创建集成到微芯片上的 3D 光传感器的合作者提供了一个原型。他们通过在芯片上生长 DNA 支架，然后涂上光敏材料来构建传感器。

该设备只是众多设备中的第一个。在《自然材料》杂志上的最新论文中 Gang 和他的团队制定了逆向设计策略，用于从一组纳米级 DNA 组件和纳米颗粒创建所需的 3D 结构。该研究展示了他们的“DNA折纸”方法在材料设计中的另外四种应用：由一维弦和二维层组成的类晶体结构；模仿太阳能电池板中常见的材料；另一个以螺旋状漩涡旋转的晶体；合作者、哥伦比亚大学工程学院应用物理学教授于南芳则设计了一种能够以特定方式反射光的结构，以实现他创建光学计算机的目标。

在哥伦比亚和布鲁克海文国家实验室，研究小组使用先进的表征技术，例如基于同步加速器的 X 射线散射和电子显微镜方法，确认所得结构与其设计相匹配，并揭示了提高结构保真度的设计考虑因素。这些独特的结构均在 Gang 实验室的水井中自行组装。这种类型的材料形成本质上是并行的，因为组件在组装过程中组合在一起，这意味着与传统方法相比，3D 制造可以显着节省时间和成本。由于组装是在水中进行的，因此制造过程也很环保。

“这种装配方法，加上我现在在 BNL 工作的液体机器人自动化，为建立广泛应用的 3D 纳米制造开辟了新的可能性”，该论文的共同第一作者、博士生 Brian Minevich 说。 Gang实验室的学生，现为BNL博士后。

“这是一个适用于具有许多不同特性的许多材料的平台：生物、光学、电学、磁学，”Gang 说。最终结果完全取决于设计。

DNA 的折叠是可以预见的，因为组成 DNA 的四种核酸只能以特定的组合配对。但是，当所需的结构包含数百万甚至数十亿个片段时，如何得出正确的起始序列呢？ Gang 和他的同事通过逆向结构设计方法解决了这一挑战。 “如果我们知道具有我们想要创建的功能的大结构，我们就可以将其分解成更小的组件，以创建具有形成所需结构所需的结构、绑定和功能属性的构建块，”Gang 说。

这些构建块是 DNA 链，它们折叠成机械坚固的八面体形状，Gang 将其称为体素，每个角都有连接器将每个体素连接在一起。许多体素可以被设计为使用 DNA 编码连接成特定的重复 3D 图案，类似于拼图游戏如何形成复杂的图片。重复的主题反过来也被并行组装以创建目标的分层组织结构。合作者、哥伦比亚大学化学工程系 Michael Bykhovsky 和 Charo Gonzalez-Bykhovsky 教授 Sanat Kumar 对 Gang 的逆向设计方法进行了计算验证。

为了实现逆向设计策略，研究人员必须弄清楚如何以形成所需结构所需的最少数量来设计这些基于 DNA 的纳米级“拼图”。 “你可以把它想象成压缩文件。我们希望最大限度地减少 DNA 自组装的信息量，从而实现最高效，”第一作者 Jason Kahn 说，他是 BNL 的一名科学家，曾是 Gang 小组的博士后。 Gang 补充道，这种算法被称为“结构编码装配映射”(MOSES)，就像纳米级 CAD 软件。 “它会告诉你使用什么 DNA 体素来制作特定的、任意定义的 3D 分层有序晶格。”

从那里，您可以在 DNA 体素内添加不同类型的纳米“货物”，这将为最终结构注入特定的属性。例如，正如 Yu 的实验所证明的那样，嵌入金纳米粒子以赋予独特的光学特性。但是，如前所述，无机和生物衍生的纳米成分都可以整合到这些 DNA 支架中。

设备组装完成后，团队还将其“矿化”。他们在支架上涂上二氧化硅，然后将其加热分解 DNA，有效地将原始有机支架转化为高度坚固的无机形式。

Gang 继续与 Kumar 和 Yu 合作，揭示允许复杂结构的工程和组装的设计原则，希望实现更复杂的设计，包括旨在模仿人脑复杂连接的 3D 电路。

Gang 表示：“我们正在努力建立自下而上的 3D 纳米制造平台。我们将其视为下一代纳米级 3D 打印，但目前基于 DNA 的自组装能力使我们能够建立大规模并行制造。”

如需了解更多信息，请联系 Oleg Gang：此电子邮件地址已受到垃圾邮件机器人保护。您需要启用 JavaScript 才能查看它..