纳米工程师们利用 DNA（生命编码分子）从纳米粒子中创造出了一种准晶体--一种在科学上很有意义、在技术上很有前途的材料结构。由美国西北大学、密歇根大学和西班牙圣塞巴斯蒂安生物材料合作研究中心的研究人员领导的研究小组在《自然-材料》杂志上报告了这一成果。这一突破为设计和建造更复杂的结构铺平了道路。

左侧显示的是模拟十面体堆积成的准晶体结构，右侧是该结构的示意图。资料来源：密歇根大学格洛策小组。

准晶体的独特性质

普通晶体由重复结构定义，而准晶体与之不同，它的图案不会重复。由原子构成的准晶体可以具有特殊的性质--例如，以不同的方式吸收热量和光线，表现出不寻常的电子特性，如无电阻导电，或者其表面非常坚硬或非常光滑。

研究纳米级组装的工程师通常将纳米粒子视为一种"设计原子"，它为合成材料的控制提供了一个新的水平。其中一个挑战是如何引导粒子组装成所需的具有实用品质的结构，而在构建首个DNA组装准晶体的过程中，研究小组进入了纳米材料设计的新领域。

开创纳米材料中DNA组装的先河

"准晶体的存在几十年来一直是个谜，其发现曾获得诺贝尔奖，"该研究的共同通讯作者、西北大学乔治-B-拉特曼化学教授查德-米尔金（Chad Mirkin）说。"我们的研究揭开了它们形成的神秘面纱，更重要的是展示了我们如何利用 DNA 的可编程特性，有意识地设计和组装准晶体。"

一种名为"快速傅里叶变换"的数学工具绘制的结构图揭示了准晶体的 12 重对称性。左边显示的是准晶体电子显微镜图像的快速傅立叶变换，右边显示的是模拟晶体的变换。资料来源：西北大学米尔金研究小组和密歇根大学格洛策小组

DNA：纳米粒子的设计工具

米尔金研究小组以使用 DNA 作为设计胶水来设计纳米粒子胶体晶体的形成而闻名，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-利兹-马尔赞（Luis Liz-Marzán）的研究小组也能制造出在适当条件下可能形成类晶体的纳米粒子。

研究小组重点研究了双锥体形状--基本上就像是将两个金字塔的底部粘在一起。Liz-Marzán 小组尝试了不同的边数以及压扁和拉伸形状。工作期间，西北大学化学系博士生周文杰和林海鑫利用编码为相互识别的DNA链，对粒子进行编程，使其组装成准晶。

另外，麻省理工大学化学工程系主任安东尼-C-莱姆布克（Anthony C. Lembke）的沙龙-格洛泽（Sharon Glotzer）小组一直在模拟不同边数的双锥体。麻省理工大学化学工程专业的博士生 Yein Lim 和 Sangmin Lee 发现，十面体--10边五角形双锥体在特定条件下会形成准晶体，并且具有合适的相对尺寸。

2009 年，格洛策的团队预测出了第一种层状纳米粒子准晶体，它不是由双锥体形成的，而是由四面体 - 像 D4 骰子一样有四个三角形边的单个金字塔--形成的。由于五个四面体几乎可以组成一种十面体，这种形状是制作准晶体的明智选择。

"在我们最初的准晶体模拟中，四面体排列成十面体，四面体之间的间隙非常小。"该研究的共同通讯作者格洛泽说："在这里，这些间隙将由DNA填补，因此十面体也有可能形成准晶体。"

理论与实验的协同作用

通过理论与实验的结合，三个研究小组将十面体粒子制成了准晶体，西北大学的电子显微镜成像和阿贡国家实验室的X射线散射证实了这一点。

该研究的共同通讯作者利兹-马尔赞（Liz-Marzán）说："通过对胶体准晶体的成功工程化，我们在纳米科学领域实现了一个重要的里程碑。我们的工作不仅揭示了复杂纳米级结构的设计和创建，还为先进材料和创新纳米技术应用开辟了一个充满可能性的世界"。

这种结构类似于同心圆中的玫瑰花形阵列，10 边形在周期性堆叠的二维层中形成了 12 倍对称性。这种堆叠结构也见于由四面体制成的准晶体，被称为轴向准晶体。但与大多数轴向类晶体不同的是，新类晶体各层的平铺图案并不是从一层到另一层完全相同地重复。相反，相当大比例的碎片是随机不同的--这种少量的无序增加了稳定性。

编译自/ScitechDaily