奈米工程師利用DNA（生命編碼分子）從奈米粒子創造出了一種準晶體–一種在科學上很有意義、在技術上很有前途的材料結構。由美國西北大學、密西根大學和西班牙聖塞巴斯蒂安生物材料合作研究中心的研究人員領導的研究小組在《自然-材料》雜誌上報告了這一成果。這項突破為設計和建造更複雜的結構鋪平了道路。

左側顯示的是模擬十面體堆積成的準晶體結構，右側則是此結構的示意圖。資料來源：密西根大學格洛策小組。

準晶體的獨特性質

普通晶體由重複結構定義，而準晶體與之不同，它的圖案不會重複。由原子構成的準晶體可以具有特殊的性質–例如，以不同的方式吸收熱量和光線，表現出不尋常的電子特性，如無電阻導電，或者其表面非常堅硬或非常光滑。

研究奈米級組裝的工程師通常將奈米粒子視為一種”設計原子”，它為合成材料的控制提供了一個新的水平。其中一個挑戰是如何引導粒子組裝成​​所需的具有實用品質的結構，而在建構首個DNA組裝準晶體的過程中，研究小組進入了奈米材料設計的新領域。

開創奈米材料中DNA組裝的先河

「準晶體的存在幾十年來一直是個謎，其發現曾獲得諾貝爾獎，”該研究的共同通訊作者、西北大學喬治-B-拉特曼化學教授查德-米爾金（Chad Mirkin）說。”我們的研究揭開了它們形成的神秘面紗，更重要的是展示了我們如何利用DNA 的可編程特性，有意識地設計和組裝準晶體。”

一種名為”快速傅立葉變換”的數學工具繪製的結構圖揭示了準晶體的12 重對稱性。左邊顯示的是準晶體電子顯微鏡影像的快速傅立葉變換，右邊顯示的是模擬晶體的變換。資料來源：西北大學米爾金研究小組和密西根大學格洛策小組

DNA：奈米粒子的設計工具

米爾金研究小組以使用DNA 作為設計膠水來設計奈米粒子膠體晶體的形成而聞名，而西班牙生物材料合作研究中心的伊克巴斯克教授路易斯-利茲-馬爾贊（Luis Liz-Marzán）的研究小組也能製造出在適當條件下可能形成類晶體的奈米粒子。

研究小組重點研究了雙錐體形狀–基本上就像是將兩個金字塔的底部黏在一起。Liz-Marzán 小組嘗試了不同的邊數以及壓扁和拉伸形狀。工作期間，西北大學化學系博士生週文杰和林海鑫利用編碼為相互識別的DNA鏈，對粒子進行編程，使其組裝成準晶。

另外，麻省理工大學化學工程系主任安東尼-C-萊姆布克（Anthony C. Lembke）的沙龍-格洛澤（Sharon Glotzer）小組一直在模擬不同邊數的雙錐體。麻省理工大學化學工程專業的博士生Yein Lim 和Sangmin Lee 發現，十面體–10邊五角形雙錐體在特定條件下會形成準晶體，並且具有合適的相對尺寸。

2009 年，格洛策的團隊預測了第一種層狀奈米粒子準晶體，它不是由雙錐體形成的，而是由四面體- 像D4 骰子一樣有四個三角形邊的單一金字塔–形成的。由於五個四面體幾乎可以組成一種十面體，這種形狀是製作準晶體的明智選擇。

“在我們最初的準晶體模擬中，四面體排列成十面體，四面體之間的間隙非常小。”該研究的共同通訊作者格洛澤說：”在這裡，這些間隙將由DNA填補，因此十面體也有可能形成準晶體。”

理論與實驗的協同作用

透過理論與實驗的結合，三個研究小組將十面體粒子製成了準晶體，西北大學的電子顯微鏡成像和阿貢國家實驗室的X射線散射證實了這一點。

該研究的共同通訊作者利茲-馬爾贊（Liz-Marzán）說：”透過對膠體準晶體的成功工程化，我們在奈米科學領域實現了一個重要的里程碑。我們的工作不僅揭示了複雜奈米級結構的設計和創建，也為先進材料和創新奈米技術應用開闢了一個充滿可能性的世界”。

這種結構類似於同心圓中的玫瑰花形陣列，10 邊形在週期性堆疊的二維層中形成了12 倍對稱性。這種堆疊結構也見於由四面體製成的準晶體，稱為軸向準晶體。但與大多數軸向類晶體不同的是，新類晶體各層的平鋪圖案並不是從一層到另一層完全相同地重複。相反，相當大比例的碎片是隨機不同的–這種少量的無序增加了穩定性。

編譯自/ ScitechDaily