哥伦比亚工程师使用DNA纳米技术构建坚韧的3D纳米材料

DNA Tetrahedra（约30nm）和金纳米粒子形成的3D格子的矿化成全无机3D二氧化硅-Au复制品，具有保存的架构。

哥伦比亚工程师使用DNA纳米技术可以通过常规纳米制作方法制造高度弹性的合成纳米颗粒基材料。

哥伦比亚工程研究人员，与Brookhaven National Laboratory一起报告，他们今天建造了设计的基于纳米粒子的3D材料，可以承受真空，高温，高压和高辐射。这种新的制造过程导致稳健和完全工程的纳米级框架，其不仅可以容纳各种功能性纳米颗粒类型，而且可以用常规的纳米制作方法快速加工。

“这些自组装的纳米粒子的材料是如此有弹性，即它们可以在太空中飞行，”化学工程教授和应用物理和材料科学教授，他们今天（201日3月19日）通过科学出版的研究进步。“我们能够从液态转换3D DNA纳米粒子架构 - 并且是一种柔韧的材料 - 到固态，二氧化硅重新实施DNA支柱。这种新材料完全维持其原始框架架构的DNA纳米粒子晶格，基本上创造了3D无机复制品。这让我们首次探索 - 这些纳米材料如何能够战斗恶劣的条件，它们如何形成，以及它们的性质。“

电影可视化硅二氧化碳晶格的3D重建（使用FIB-SEM）。重建显示晶格中的金纳米颗粒（硅结构不可见）。晶格绕轴旋转以从多个方向可视化结构。

材料特性在纳米级和研究人员中有所不同，我们长期以来一直在探索如何使用这些微小的材料 - 在各种应用中小于人类发型的1,000至10,000倍 - 从制作手机的传感器来建立更快的笔记本电脑筹码。然而，制造技术在实现3D纳米体系结构方面一直在具有挑战性。DNA纳米技术使得能够通过自组装从纳米颗粒中创建复杂的组织材料，但鉴于DNA的柔软和环境依赖性，这些材料在仅狭窄的条件范围内可能是稳定的。相反，新成形的材料现在可以用于这些工程结构所需的广泛应用中。虽然常规纳米制作擅长产生平面结构，但是Gang的新方法允许制造对如此多的电子，光学和能源应用成为必需的3D纳米材料。

携带联合预约作为Thesoft和Bio NanoMateials Groupat Brookhaven Lab'scenter的联合预约的团伙是DNA纳米技术的最前沿，它依赖于折叠DNA链进入所需的两个和三维纳米结构。这些纳米结构成为可以通过Watson-Crick的相互作用进行编程的构建块，以自组装成3D架构。他的小组设计并形成这些DNA纳米结构，将它们与纳米颗粒整合并引导靶向纳米粒子基材料的组装。现在，通过这种新技术，团队可以将这些材料转换为柔软和脆弱的稳固和强大。

用多面体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级格子与可控制的二氧化硅涂层厚度（约5nm到全空间填充）的矿化。

这项新的研究证明了将3D DNA纳米颗粒晶格转化为二氧化硅复制品的有效方法，同时通过DNA支柱和纳米粒子组织的完整性保持颗粒状连接的拓扑。二氧化硅效果良好，因为它有助于保留母体DNA格子的纳米结构，形成底层DNA的稳健施放，不影响纳米粒子的布置。

“这种格子中的DNA采用二氧化硅的性质，”团队团队团队的博士学位，亚伦迈克尔森说。“它在空气中稳定，可以在真实空间中首次干燥并允许对材料的3D纳米级分析。此外，二氧化硅提供强度和化学稳定性，这是低成本，可以根据需要进行修改 - 这是一种非常方便的材料。“

要了解更多关于其纳米结构的性质，该团队将转化为二氧化硅DNA-纳米粒子的晶格暴露于极端条件：高于1,000℃的高温，高8GPa的机械应力（比大气压的约80,000倍，或更多）而不是在最深的海洋地方，玛丽安娜沟渠，并在原位研究这些过程。为了衡量结构的应用和进一步加工步骤的可行性，研究人员还将它们暴露于高剂量的辐射和聚焦离子束。

“我们对与传统纳米制作技术的对应对加上这些结构的适用性的分析表明，通过基于DNA的方法来产生弹性纳米材料的真正稳健的平台，以发现其新颖性质”。“这是一个很大的一步，因为这些特定的属性意味着我们可以使用我们的3D纳米材料组装并仍然进入全系列的传统材料处理步骤。需要进行新颖和常规纳米制作方法的整合，以实现力学，电子，血浆，光子，超导和能源材料的进步。“

基于帮派工作的合作已经导致了新型超导和二氧化硅转化为导电和半导体介质以进一步加工。这些包括早期的研究发布的Bynature Communication和最近发布的ByNano字母。研究人员还计划修改结构以使具有非常理想的机械和光学性能的广泛材料。

“电脑已经用硅制成超过40年，”Gang补充道。“对于平面结构和设备，需要四十年来将制造压下至约10纳米。现在，我们可以在几小时内的试管中制作和组装纳米喷射物，没有昂贵的工具。现在可以通过我们能够工程师的纳米级流程策划单个格子上的八亿个连接。每个连接可以是晶体管，传感器或光学发射器 - 每个连接可以是存储的一点数据。虽然摩尔的法律正在放缓，但DNA装配方法的可编程性在那里携带我们的新材料和纳米制造中的问题。虽然这对于当前方法非常具有挑战性，但对于新兴技术来说非常重要。“

参考：“弹性三维有序架构由DNA的纳米粒子组装”由Pawel W. Majewski，Aaron Michelson，Marco Al Cordeiro，Cheng Tian，Chunli Ma，Kim Kisslinger，Ye Tian，Wenyan Liu，Eric A. Stach，Kevin G. Yager和Oleg Gang，2021年3月19日，科学推进.DOI：
10.1126 / sciadv.abf0617

该研究标题为“来自DNA的纳米颗粒组装的弹性三维有序架构”。

作者是：Pawel W. Majewski 1,2，亚伦迈克尔森3，Marco A. L.Cordeiro1，Chengian1，Chunli Ma1，Kim Kisslinger1，Ye Tian1，Wenyan Liu1，Eric A.Stach3，Kevin G. Yager1，Oleg Gang1,3,5

功能纳米材料中心，布鲁克海文国家实验室化学，华沙大学，波兰德省应用物理和应用数学，哥伦比亚大学材料科学与工程，宾夕法尼亚州哥伦比亚大学化学工程学院

该研究得到了美国国防部，陆军研究办公室，W911NF-19-1-0395的支持。本研究使用了功能纳米材料中心的资源，以及国家同步射箭光源II，即在合同编号DE-SC0012704下的布鲁克海文国家实验室。DNA设计工作得到美国能源部，基本能源科学办公室的支持，Grant De-SC0008772。