哥倫比亞大學工程師利用DNA納米技術打造堅韌的3D納米材料

據媒體報導,哥倫比亞大學的工程師們利用DNA納米技術創造了高彈性的合成納米粒子材料,可以通過傳統的納米加工方法進行加工。哥倫比亞大學工程系的研究人員與布魯克海文國家實驗室合作,並在週五報告說,他們已經建立了設計的基於納米粒子的3D材料,可以承受真空、高溫、高壓和高輻射。這種新的製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,而且可以用傳統的納米加工方法快速加工。

哥倫比亞大學工程師利用DNA納米技術打造堅韌的3D納米材料

「這些基於自組裝納米顆粒的材料具有很強的彈性,以至於它們可以在太空中飛行,」化學工程和應用物理學和材料科學教授Oleg Gang說,他領導了3月19日在《Science Advances》雜志上發表的研究。「我們能夠將3D DNA-納米粒子架構從液態–以及從作為一種柔韌的材料–過渡到固態,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構,基本上創造了一個3D無機復製品。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麼。」

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–厚度是人的頭發厚度是1/1000到1/10000–用於各種應用,從製造手機的傳感器到為筆記本電腦製造更快的芯片。然而,在實現3D納米架構方面,製造技術一直具有挑戰性。DNA納米技術可以通過自組裝從納米顆粒中創造出復雜的組織材料,但鑒於DNA的柔軟和對環境的依賴性,這種材料可能只在有限的條件下穩定。相比之下,現在新形成的材料可以廣泛用於需要這些工程結構的應用。傳統的納米加工技術擅長製造平面結構,而Gang的新方法則可以製造3D納米材料,這對許多電子、光學和能源應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納米技術的領軍人物,該技術依賴於將DNA鏈折疊成所需的二維和三維納米結構。這些納米結構成為構件,可以通過Watson-Crick相互作用編程,自組裝成三維架構。他的小組設計並形成這些DNA納米結構,將其與納米顆粒整合,並指導組裝基於納米顆粒的目標材料。而現在,通過這項新技術,該團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-納米粒子晶格轉化為二氧化硅復製品的有效方法,同時通過DNA支柱保持粒子間連接的拓撲結構和納米粒子組織的完整性。硅石之所以能很好地發揮作用,是因為它有助於保留母體DNA晶格的納米結構,形成底層DNA的穩健鑄型,並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。「它在空氣中變得穩定,並且可以乾燥,並且可以首次在真實空間中對材料進行3D納米級分析。此外,二氧化硅提供了強度和化學穩定性,它的成本很低,可以根據需要進行修改–這是一種非常方便的材料。」

為了更多地瞭解他們的納米結構的特性,該團隊將轉換為二氧化硅的DNA-納米顆粒晶格暴露在極端條件下:高於10000攝氏度的高溫和超過8GPa的高機械應力(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),並在原地研究這些過程。為了衡量這些結構的應用可行性和進一步的加工步驟,研究人員還將它們暴露在高劑量的輻射和聚焦離子束下。

哥倫比亞大學工程師利用DNA納米技術打造堅韌的3D納米材料

「我們對這些結構與傳統納米加工技術耦合的適用性的分析表明,通過基於DNA的方法生成彈性納米材料的真正強大的平台,以發現它們的新特性,」Gang指出。「這是向前邁出的一大步,因為這些特定的特性意味着我們可以使用我們的3D納米材料組裝,並且仍然可以使用全部的傳統材料加工步驟。這種新型和傳統納米加工方法的整合是實現力學、電子學、質子學、光子學、超導和能源材料進步所需要的。」

基於Gang工作的合作已經導致了新穎的超導性和將二氧化硅轉化為導電和半導電介質以進行進一步加工。這些研究包括早前發表在《自然通訊》上的一項研究和最近發表在《納米通訊》上的一項研究。研究人員還計畫對該結構進行修改,以製造具有非常理想的機械和光學性能的廣泛材料。

「計算機用硅製造已經超過40年了,」Gang補充道。「花了40年時間才將平面結構和設備的製造推到10納米左右。現在,我們可以在試管中製作和組裝納米物體,無需昂貴的工具,只需幾個小時。現在,一個晶格上的80億個連接可以通過我們可以設計的納米級工藝進行協調自組裝。每個連接可以是一個晶體管、一個傳感器或一個光發射器–每個連接都可以是一個位數據的存儲。雖然摩爾定律的發展速度正在放緩,但DNA組裝方法的可編程性是可以帶着我們前進的,用於解決新型材料和納米製造的問題。雖然這對於目前的方法來說極具挑戰性,但對於新興技術來說卻非常重要。」

來源:cnBeta