包括美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)在納米材料制造領(lǐng)域取得重要突破：他們基于DNA自組裝技術(shù)，構(gòu)建出復(fù)雜的3D納米結(jié)構(gòu)。最新一期《自然·材料》雜志發(fā)表兩篇論文詳細(xì)介紹這一納米尺度上的“下一代3D打印”。該成果對于多個(gè)前沿應(yīng)用至關(guān)重要，包括光子學(xué)、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算、催化材料、生物分子支架和反應(yīng)器等。
這項(xiàng)技術(shù)的核心是DNA分子。團(tuán)隊(duì)利用DNA的堿基配對特性，設(shè)計(jì)出可自我識別并組裝成特定形狀的納米級“體素”，即三維像素單位。這些體素可像拼圖一樣組合在一起，形成高度復(fù)雜且具有功能性的納米結(jié)構(gòu)。這種“自下而上”的構(gòu)建方式，與傳統(tǒng)的“自上而下”光刻工藝截然不同，不僅效率更高，而且更適用于納米級別的精細(xì)制造。
團(tuán)隊(duì)展示了該方法的廣泛適用性。例如兩個(gè)月前，他們?yōu)槊髂崽K達(dá)大學(xué)提供了一個(gè)嵌入微芯片的3D光傳感器原型。該裝置通過在芯片上培育DNA支架，并涂覆感光材料制成，展現(xiàn)了其在光電領(lǐng)域的潛力。
此外，團(tuán)隊(duì)還提出了一種逆向設(shè)計(jì)策略，可從目標(biāo)結(jié)構(gòu)出發(fā)，反推出所需的DNA構(gòu)建塊及其序列。這種方法被稱為MOSES(結(jié)構(gòu)編碼自組裝)，類似于納米級的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，可幫助用戶確定使用哪些DNA體素來構(gòu)建特定的三維晶格結(jié)構(gòu)。
團(tuán)隊(duì)為此進(jìn)行了大量計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)測試。他們將金納米顆粒等材料整合進(jìn)DNA支架中，賦予最終結(jié)構(gòu)獨(dú)特的光學(xué)性能，并增強(qiáng)了其穩(wěn)定性，使其在高溫環(huán)境下仍能保持結(jié)構(gòu)完整。
團(tuán)隊(duì)正進(jìn)一步探索如何利用這一平臺構(gòu)建更復(fù)雜的三維電路，甚至模擬人腦的神經(jīng)連接結(jié)構(gòu)，進(jìn)而穩(wěn)步推進(jìn)一個(gè)“自下而上”的3D納米制造平臺。
這項(xiàng)技術(shù)的最大亮點(diǎn)，是能在跨學(xué)科多領(lǐng)域展現(xiàn)巨大潛力。如在生物醫(yī)藥方面，它能用于精準(zhǔn)藥物遞送系統(tǒng)的開發(fā)，同時(shí)其生物相容性也為體內(nèi)植入式器件提供了安全基礎(chǔ);在綠色能源方面，這種精確控制材料排列的方式，可用于設(shè)計(jì)高效催化劑結(jié)構(gòu)，提升燃料電池或二氧化碳轉(zhuǎn)化裝置的效率;此外，借助其可編程特性，還可開發(fā)智能響應(yīng)型材料，使其在不同環(huán)境刺激下改變結(jié)構(gòu)或功能，應(yīng)用于柔性電子、自修復(fù)涂層等領(lǐng)域。長遠(yuǎn)來看，這項(xiàng)技術(shù)或?qū)⒋呱拔镔|(zhì)編程”這一新范式——就像我們編寫軟件一樣，未來科學(xué)家可以直接“編寫”物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從數(shù)字設(shè)計(jì)到物理存在的無縫銜接。
責(zé)任編輯：陸迪
