工程師用DNA納米技術(shù)打造堅韌的3D納米材料

發(fā)布：cyqdesign 2021-03-20 14:26 閱讀：1098

據(jù)外媒報道，哥倫比亞大學(xué)的工程師們利用DNA納米技術(shù)創(chuàng)造了高彈性的合成納米粒子材料，可以通過傳統(tǒng)的納米加工方法進(jìn)行加工。哥倫比亞大學(xué)工程系的研究人員與布魯克海文國家實驗室合作，并在周五報告說，他們已經(jīng)建立了設(shè)計的基于納米粒子的3D材料，可以承受真空、高溫、高壓和高輻射。這種新的制造工藝帶來了堅固和完全工程化的納米級框架，不僅可以容納各種功能納米粒子類型，而且可以用傳統(tǒng)的納米加工方法快速加工。

“這些基于自組裝納米顆粒的材料具有很強(qiáng)的彈性，以至于它們可以在太空中飛行，”化學(xué)工程和應(yīng)用物理學(xué)和材料科學(xué)教授Oleg Gang說，他領(lǐng)導(dǎo)了3月19日在《Science Advances》雜志上發(fā)表的研究�！拔覀兡軌�?qū)?D DNA-納米粒子架構(gòu)從液態(tài)--以及從作為一種柔韌的材料--過渡到固態(tài)，其中二氧化硅重新加固了DNA支柱。這種新材料完全保持了DNA-納米粒子晶格的原始框架結(jié)構(gòu)，基本上創(chuàng)造了一個3D無機(jī)復(fù)制品。這讓我們第一次探索--這些納米材料如何對抗惡劣的條件，它們是如何形成的，以及它們的特性是什么�！�

納米級的材料特性是不同的，研究人員長期以來一直在探索如何將這些微小的材料--厚度是人的頭發(fā)厚度是1/1000到1/10000--用于各種應(yīng)用，從制造手機(jī)的傳感器到為筆記本電腦制造更快的芯片。然而，在實現(xiàn)3D納米架構(gòu)方面，制造技術(shù)一直具有挑戰(zhàn)性。DNA納米技術(shù)可以通過自組裝從納米顆粒中創(chuàng)造出復(fù)雜的組織材料，但鑒于DNA的柔軟和對環(huán)境的依賴性，這種材料可能只在有限的條件下穩(wěn)定。相比之下，現(xiàn)在新形成的材料可以廣泛用于需要這些工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。傳統(tǒng)的納米加工技術(shù)擅長制造平面結(jié)構(gòu)，而Gang的新方法則可以制造3D納米材料，這對許多電子、光學(xué)和能源應(yīng)用來說是必不可少的。

Gang是布魯克海文國家實驗室功能納米材料中心軟和生物納米材料組的組長，他是DNA納米技術(shù)的領(lǐng)軍人物，該技術(shù)依賴于將DNA鏈折疊成所需的二維和三維納米結(jié)構(gòu)。這些納米結(jié)構(gòu)成為構(gòu)件，可以通過Watson-Crick相互作用編程，自組裝成三維架構(gòu)。他的小組設(shè)計并形成這些DNA納米結(jié)構(gòu)，將其與納米顆粒整合，并指導(dǎo)組裝基于納米顆粒的目標(biāo)材料。而現(xiàn)在，通過這項新技術(shù)，該團(tuán)隊可以將這些材料從柔軟脆弱過渡到堅固耐用。

這項新研究展示了一種將3D DNA-納米粒子晶格轉(zhuǎn)化為二氧化硅復(fù)制品的有效方法，同時通過DNA支柱保持粒子間連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和納米粒子組織的完整性。硅石之所以能很好地發(fā)揮作用，是因為它有助于保留母體DNA晶格的納米結(jié)構(gòu)，形成底層DNA的穩(wěn)健鑄型，并且不影響納米粒子的排列。

“這種晶格中的DNA具有二氧化硅的特性，”Gang研究小組的博士生Aaron Michelson說�！八诳諝庵凶兊梅€(wěn)定，并且可以干燥，并且可以首次在真實空間中對材料進(jìn)行3D納米級分析。此外，二氧化硅提供了強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，它的成本很低，可以根據(jù)需要進(jìn)行修改--這是一種非常方便的材料。”

為了更多地了解他們的納米結(jié)構(gòu)的特性，該團(tuán)隊將轉(zhuǎn)換為二氧化硅的DNA-納米顆粒晶格暴露在極端條件下：高于10000攝氏度的高溫和超過8GPa的高機(jī)械應(yīng)力（約為大氣壓力的80000倍，或世界最深海溝馬里亞納海溝的80倍），并在原地研究這些過程。為了衡量這些結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可行性和進(jìn)一步的加工步驟，研究人員還將它們暴露在高劑量的輻射和聚焦離子束下。

“我們對這些結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)納米加工技術(shù)耦合的適用性的分析表明，通過基于DNA的方法生成彈性納米材料的真正強(qiáng)大的平臺，以發(fā)現(xiàn)它們的新特性，”Gang指出�！斑@是向前邁出的一大步，因為這些特定的特性意味著我們可以使用我們的3D納米材料組裝，并且仍然可以使用全部的傳統(tǒng)材料加工步驟。這種新型和傳統(tǒng)納米加工方法的整合是實現(xiàn)力學(xué)、電子學(xué)、質(zhì)子學(xué)、光子學(xué)、超導(dǎo)和能源材料進(jìn)步所需要的�！�

基于Gang工作的合作已經(jīng)導(dǎo)致了新穎的超導(dǎo)性和將二氧化硅轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電和半導(dǎo)電介質(zhì)以進(jìn)行進(jìn)一步加工。這些研究包括早前發(fā)表在《自然通訊》上的一項研究和最近發(fā)表在《納米通訊》上的一項研究。研究人員還計劃對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，以制造具有非常理想的機(jī)械和光學(xué)性能的廣泛材料。

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