开发用于将组件定向到3D阵列的纳米制造平台

哥伦比亚大学布鲁克海文国家实验室的科学家们已经开发了一个平台，可以将不同类型(无机或有机)的纳米材料组件或“纳米物体”组装成所需的3D结构。

虽然自组装(SA)已经成功地用于组织几种类型的纳米材料，但该过程是非常特定于系统的，根据材料的固有属性生成不同的结构。这种新的dna可编程纳米制造平台可以应用于在纳米尺度(十亿分之一米)以相同的规定方式组织各种3D材料，在纳米尺度上出现独特的光学、化学和其他特性。

功能纳米材料中心(CFN)软生物纳米材料组组长Oleg Gang说:“SA不是实际应用的首选技术的主要原因之一是，相同的SA工艺不能应用于广泛的材料，用不同的纳米组件创建相同的3D有序阵列。”CFN是美国能源部(DOE)科学用户设施办公室布鲁克海文国家实验室他还是哥伦比亚大学工程学院化学工程、应用物理和材料科学的教授。“在这里，我们设计了刚性多面体DNA框架，可以封装各种无机或有机纳米物体，包括金属、半导体，甚至蛋白质和酶，从而将SA过程与材料特性分离开来。”

科学家们设计了立方体、八面体和四面体形状的合成DNA框架。框架内部是DNA“手臂”，只有具有互补DNA序列的纳米物体才能与之结合。这些材料体素——DNA框架和纳米物体的集成——是构建宏观3D结构的基石。根据顶点处编码的互补序列，无论内部是哪种纳米物体(或不是哪种纳米物体)，帧都相互连接。根据它们的形状，框架有不同数量的顶点，从而形成完全不同的结构。框架内的任何纳米物体都具有特定的框架结构。

为了证明他们的组装方法，科学家们选择了金属(金)和半导体(硒化镉)纳米颗粒和细菌蛋白质(链霉亲和素)作为无机和有机纳米物体，放置在DNA框架内。首先，他们通过CFN的电子显微镜成像证实了DNA框架的完整性和材料体素的形成电子显微镜设备还有范安德尔研究所(Van Andel Institute)，该研究所有一套在低温下工作的生物样本仪器。然后，他们探测了国家同步加速器光源II (NSLS-II)的相干硬x射线散射和复杂材料散射光束线的3D晶格结构，NSLS-II是位于布鲁克海文实验室的另一个美国能源部科学用户设施办公室。

哥伦比亚工程Bykhovsky化学工程教授Sanat Kumar和他的团队进行了计算建模，揭示了实验观察到的晶格结构(基于x射线散射模式)是材料体素可以形成的最稳定的热力学结构。

Kumar解释说:“这些材料体素使我们能够开始使用来自原子(和分子)以及它们形成的晶体的想法，并将这些庞大的知识和数据库移植到纳米级的系统中。”

Gang在哥伦比亚大学的学生随后演示了如何使用组装平台来驱动具有化学和光学功能的两种不同材料的组织。在一种情况下，他们共同组装了两种酶，创建了具有高包装密度的3D阵列。尽管酶的化学性质没有变化，但它们的酶活性增加了四倍左右。

这些“纳米反应器”可用于操纵级联反应，并使化学活性材料的制造成为可能。在光学材料演示中，他们混合了两种不同颜色的量子点——微小的纳米晶体，这种量子点被用于制作具有高颜色饱和度和亮度的电视显示器。用荧光显微镜捕获的图像显示，形成的晶格保持了低于光衍射极限(波长)的颜色纯度;这一特性可以显著提高各种显示和光通信技术的分辨率。

“我们需要重新思考材料是如何形成的，以及它们是如何发挥作用的，”Gang说。“可能没有必要重新设计材料;简单地用新方法包装现有材料就能提高它们的性能。我们的平台有可能成为一种“超越3D打印制造”的使能技术，以更小的规模控制材料，拥有更多的材料种类和设计成分。使用相同的方法，从不同材料类别的所需纳米物体中形成3D晶格，整合那些原本被认为不兼容的纳米物体，可能会彻底改变纳米制造。”

-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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