研究人员设计并制造出最复杂的纳米晶体
西北大学和密歇根大学的研究人员报道了由纳米颗粒设计和制造的最复杂的晶体。这项工作表明，如果研究人员可以用DNA来控制粒子的形状以及它们连接的方式，那么我们就可以组装出大自然中的一些最复杂的结构。 ECfY~qK
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由纳米粒子设计和制造的最复杂的晶体。左图：该结构的一个切片的电子显微镜图像（西北大学）。右：来自该结构的模拟仿真的一个匹配的切片（密歇根大学）。 EE{%hGb
“这是一个杰作，其展示了当我们利用DNA化学并将其与那些具有容易形成某种特定晶体的形状的纳米粒子进行结合的时候会发生什么，”Chad A. Mirkin说，他是西北大学温伯格艺术与科学学院George B. Rathmann名誉化学教授。 9{&x-ugM
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纳米技术能够以新的方式将材料聚合在一起，通过设计锻造出新的能力。这些由纳米粒子制成的晶体——例如本研究中所报道的那些——的一个潜在的应用是对光的控制——纳米粒子与光波可以很好地相互作用，因为它们的大小相近。这有可能会带来可以按照指令来改变颜色或图案，或者阻止某些波长的光而透过或放大其他波长的光的材料。另外还可能带来新类型的透镜，激光器，甚至是像《星际迷航》中那样的隐身材料。
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“这项工作表明，一旦你开始利用粒子的形状，通过使用DNA技术你可以得到异常复杂的纳米晶体，”密歇根大学John W. Cahn杰出工程教授和Stuart W. Churchill学院化学工程教授Sharon C. Glotzer说:“而且这是一个很好的例子来说明实验专家和仿真研究小组联合起来能够实现什么。” y!Eh /KD
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这篇题为《笼形包合物胶体晶体》的研究文章将发表在3月3日的《科学》杂志上。Mirkin和Glotzer是这篇文章的共同通讯作者。 A#\X-8/
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在化学上，笼形包合物因为其可以包裹小分子的空腔而被人熟知。例如，它们已被用于从环境中捕捉污染物。纳米粒子团簇中也为货物留下了空间，作者认为这个空间可以在环保，医疗诊断和治疗等应用中用于存储，投送和感知材料。 LDNUywj@w
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虽然天然材料具有一系列令人眼花缭乱的晶体结构，大多数纳米技术实验室仍然在努力地获得过去那些简单的设计。由Haixin Lin——他现在已经是Mirkin实验室里的一名博士后研究员——制作的这个结构则有趣得多。新的结构是由多达42个粒子的群组成，形成很大的多面体，例如大十二面体。这些团簇连接成被称为笼形包合物的像笼子形状的晶体结构。 hD=D5LYAZ
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不过，这个故事并不是晶体本身：而是这个晶体是如何形成的。Mirkin的研究小组通过将DNA链作为一种智能胶水使用，以一种特殊的方式将纳米粒子连接在一起，开创了许多新型的结构。该粒子是一个组成单元，同时也是指导键合相互作用的一个模板。同时，Glotzer的研究小组通过计算机模拟获得了纳米粒子形状在晶体结构组装上的导向作用。 g-`NsqzD
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“Chad的研究小组通过察看我们所作出的预测来获得探索新结构的思想，”Glotzer说。“有一天，我接到了他的电话。‘我们刚刚得到了这些难以置信的结构！’他说。他一张图片接着一张图片地给我发短信——它们就是这样不停地弹出来。他说，我们需要找出一种方法来确定地安排它们的结构。” <7h'MNf&
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电子显微镜图像或显微照片显示了在很大程度上由于金纳米颗粒的形状而形成的复杂的结晶结构。像两个扁平的四面体底部粘在一起形成的三角双锥形状，类似于Glotzer的研究小组预测会形成准晶的一个形状。准晶在纳米组装领域被认为非常有价值，因为它们可以形成晶体所能做到的那样复杂。 +%^xz
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Lin的形状只有直角来形成笼形结构，这在形成准晶的分子系统中常常出现。但要做到这一点，它们需要DNA链以合适的长度连接到它们的旁边。 #6 nA^K}
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林系统地制造出大小和形状一致的，边长为250纳米（蓝光波长的一半）的黄金双锥。然后用不同长度的DNA序列对它们进行修饰。当DNA链太短的时候，纳米粒子形成无序的、不明确的结构。 8A=(,)`}9
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当DNA链比较长的时候在电子显微镜下产生了奇异的图案，Lin带着这些结果来找对此感到既兴奋又好奇的Mirkin。 IrK )N
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“这台让人吃惊了——以前从没有人制造过这样的结构，”Mirkin说，他是西北大学纳米技术国际研究所的主任。 U$%w"k7^(
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很明显他们制成了以前从未观察到过的物质的相，但准确地识别这个结构仍然是最至关重要的。在Mirkin找到了密歇根大学的Glotzer之后，Sangmin Lee和Michael Engel将Lin的双锥结构进行了3D打印，并将它们胶粘在一起，以探讨它们是如何形成电子显微图像中所显示的结构的。Lee是Glotzer组里的一名化学工程博士生，而Engel当时是组里的一名助理研究员。 U^ S0H(>
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在他们看到这些形状是如何吻合在一起的时候，他们对笼形结构进行了假设。为了证实他们的猜测，他们建立了一个由双锥结构假设得到的包合物的计算机模型，并将其与西北大学的显微照片进行对比。这是一个完美的吻合。 n$K_KU v
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作为一个确定性的测试，Lee和密歇根大学的另一名化学工程博士研究生Matthew Spellings开发了一个由DNA连接纳米颗粒的分子模型。Lee进行了模拟，以确认这些粒子会真的形成包合物结构。 /_HL&|N_5
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“为了真正的知道，我们要进行仿真，模仿Haixin在实验室中所使用的条件，以观察无序的DNA连接双锥液体是否会组装成西北大学的研究人员所发现的晶体，”Glotzer说。“在我们看到电脑上模拟出来的晶体的时候，我就知道我们已经找到它了。” fz\Az-
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Mirkin是发明了DNA和纳米粒子结合的化学理论以及用核酸来形成可编程胶体结晶的开拓性概念的研究组的主任。1996年，他引入了将纳米粒子作为原子来使用和将合成DNA——生命的蓝本——作为一种化学可编程的键合剂使用的概念，基于粒子根据固定在其表面上的序列来识别彼此的能力来制造设计者材料。Mirkin在过去的二十年里对粒子形状在胶体晶体的形成中所起的作用进行深入的实验研究。他同时也是医学，化学和生物工程，生物医学工程以及材料科学与工程方面的教授。 UJ +JVj
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Glotzer因为其开创性的计算机模拟演示了形状在纳米粒子自组装中的重要作用而全国闻名。她领导的研究小组发现了从简单的多面体形状可能形成众多的胶体晶体的多样性和复杂性。Glotzer也是材料科学与工程，高分子科学与工程以及物理学方面的教授。 n ~)%o u
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文章链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2017/03/170303081406.htm
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