美國(guó)西北大學(xué)和密歇根大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在組裝多面體納米粒子方面取得重大飛躍，可能會(huì)對(duì)先進(jìn)材料的制造方式產(chǎn)生影響。在最新一期《科學(xué)》雜志上發(fā)表的論文中，研究人員介紹并展示了一種新型合成策略，它拓展了超材料設(shè)計(jì)的可能性。這些非同凡響的材料是“隱形斗篷”和超高速光學(xué)計(jì)算系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

人們?cè)谌粘Ｉ钪杏檬植僮骱暧^材料，即使是學(xué)齡前兒童也可輕松操縱玩具積木，并將它們很好地組合在一起。但是，在納米尺度上，人們無(wú)法用手來(lái)擺弄納米粒子，因?yàn)槭趾图{米粒子之間存在巨大的尺寸差異。DNA和納米粒子的尺寸長(zhǎng)度相同，且可用DNA對(duì)納米粒子進(jìn)行化學(xué)編碼。于是，DNA就成了人們的“手”。這些“手”可識(shí)別形狀互補(bǔ)的納米粒子，并將它們排列起來(lái)形成空間填充結(jié)構(gòu)。

使用DNA作為鍵合元件來(lái)設(shè)計(jì)納米晶體的傳統(tǒng)方法，尚未實(shí)現(xiàn)三維空間填充的平鋪排列。此次，西北大學(xué)研究人員使用了更短、更靈活的分子配體——寡聚乙二醇修飾DNA。寡聚乙二醇單元可充當(dāng)減震器，調(diào)整到適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度，以確保各種形狀粒子可以近乎完美的方式裝配在一起。到目前為止，研究人員已經(jīng)合成了10種新的膠體晶體。

納米粒子本質(zhì)上是不完美的，即使是在同一合成批次中生產(chǎn)的單個(gè)納米粒子的大小和形狀也略有不同。這一特征可能會(huì)限制它們?cè)诮M裝時(shí)有效地填充空間的能力。此外，傳統(tǒng)上用于組裝的DNA鏈幾乎與納米粒子的直徑一樣長(zhǎng)或更長(zhǎng)，因此掩蓋了粒子的幾何形狀對(duì)鍵合的一些關(guān)鍵貢獻(xiàn)。

該團(tuán)隊(duì)克服了這兩個(gè)障礙，解答了納米技術(shù)的一個(gè)新前沿問(wèn)題，使創(chuàng)建高度有序的膠體晶體成為可能。這些晶體的形狀和尺寸曾被認(rèn)為是不可能制造出來(lái)的。這項(xiàng)研究展示了使用簡(jiǎn)單的幾何方法來(lái)設(shè)計(jì)大的、充滿空間的膠體晶體的能力。這一突破不僅豐富了膠體晶體的設(shè)計(jì)空間，還為設(shè)計(jì)超材料提供了一個(gè)通用的工具包。