哥伦比亚大学工程和应用科学学院 由脱氧核糖核酸四面体(约30纳米)和金纳米粒子形成的三维晶格矿化为具有保留结构的全无机三维硅金复制品
学分:奥列格岗/哥伦比亚工程 哥伦比亚工程研究人员与布鲁克海文国家实验室合作，今天报告说，他们已经设计出能够承受真空、高温、高压和高辐射的基于纳米粒子的3D材料
这种新的制造工艺产生了坚固且完全工程化的纳米尺度框架，其不仅可以容纳各种功能性纳米粒子类型，而且可以用传统的纳米制造方法快速加工
“这些基于纳米粒子的自组装材料非常有弹性，它们可以在太空中飞行，”奥列格·冈(Oleg Gang)说，他是化学工程、应用物理和材料科学教授，领导了今天发表在《科学进步》杂志上的这项研究
“我们能够将3D脱氧核糖核酸纳米粒子结构从液态——以及柔韧的材料——转变为固态，在固态下，二氧化硅增强了脱氧核糖核酸支柱
这种新材料完全保持了其最初的脱氧核糖核酸纳米颗粒晶格框架结构，本质上创造了一个3D无机复制品
这让我们第一次探索了这些纳米材料是如何应对恶劣环境的，它们是如何形成的，以及它们的特性是什么
" 纳米尺度下的材料性质是不同的，研究人员长期以来一直在探索如何在各种应用中使用这些微小材料——比人类头发的厚度小1000到10000倍——从制造手机传感器到为笔记本电脑制造更快的芯片
然而，制造技术在实现三维纳米结构方面具有挑战性
脱氧核糖核酸纳米技术能够通过自组装从纳米粒子中产生复杂的组织材料，但鉴于脱氧核糖核酸的柔软性和环境依赖性，这种材料可能只在狭窄的条件范围内稳定
相比之下，新形成的材料现在可用于需要这些工程结构的广泛应用中
虽然传统纳米制造擅长制造平面结构，但冈的新方法允许制造三维纳米材料，这对许多电子、光学和能源应用变得至关重要
电影可视化的硅化脱氧核糖核酸纳米粒子晶格的三维重建(使用纤维扫描电子显微镜)
重建显示金纳米粒子在晶格中(二氧化硅结构不可见)
晶格绕轴旋转，从多个方向观察结构
学分:奥列格岗/哥伦比亚工程 冈在布鲁克海文实验室的功能纳米材料中心担任软纳米材料和生物纳米材料小组的组长，他处于DNA纳米技术的前沿，该技术依赖于将DNA链折叠成所需的二维和三维纳米结构
这些纳米结构成为构建模块，可以通过沃森-克里克相互作用进行编程，从而自组装成3D架构
他的团队设计并形成这些脱氧核糖核酸纳米结构，将它们与纳米粒子整合，并指导基于纳米粒子的靶向材料的组装
现在，有了这项新技术，团队可以将这些材料从柔软易碎转变为坚固耐用
这项新的研究展示了一种将3D DNA-纳米粒子晶格转化为二氧化硅复制品的有效方法，同时通过DNA支柱保持粒子间连接的拓扑和纳米粒子组织的完整性
二氧化硅效果很好，因为它有助于保留母体脱氧核糖核酸晶格的纳米结构，形成底层脱氧核糖核酸的坚固铸件，并且不影响纳米粒子的排列
“这种晶格中的脱氧核糖核酸具有二氧化硅的特性，”亚伦·迈克尔逊博士说
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帮派学生
“它在空气中变得稳定，可以干燥，并允许首次在真实空间中对材料进行3D纳米级分析
此外，二氧化硅提供强度和化学稳定性，成本低，可以根据需要进行修改——这是一种非常方便的材料
" 由多面体脱氧核糖核酸纳米框架(四面体、立方体和八面体)和金纳米粒子形成的不同类型的纳米级晶格用可控二氧化硅涂层厚度(从大约5纳米到完全空间填充)进行矿化
学分:奥列格岗/哥伦比亚工程 为了进一步了解纳米结构的特性，研究小组将转化为二氧化硅的脱氧核糖核酸纳米粒子晶格暴露在极端条件下:1000℃以上的高温和8兆帕以上的高机械应力(大约是大气压的80000倍，或者是海洋最深处马里亚纳海沟的80倍)，并原位研究了这些过程
为了测量这种结构在应用和进一步加工步骤中的可行性，研究人员还将它们暴露在高剂量辐射和聚焦离子束下
“我们对这些结构与传统纳米制造技术相结合的适用性的分析表明，通过基于脱氧核糖核酸的方法发现弹性纳米材料的新特性，为生成弹性纳米材料提供了一个真正强大的平台，”冈指出
“这是向前迈出的一大步，因为这些特殊性能意味着我们可以使用3D纳米材料组件，并且仍然可以进入所有传统材料加工步骤
为了在机械、电子、等离子体、光子学、超导和能源材料方面取得进展，需要这种新型和传统纳米制造方法的结合
" 基于冈工作的合作已经产生了新的超导性，并将二氧化硅转化为导电和半导电介质，用于进一步加工
其中包括《自然通讯》发表的早期研究和《纳米快报》最近发表的一项研究
研究人员还计划修改结构，以制造出具有高度理想的机械和光学性能的各种材料
“计算机用硅制造已经有40多年了，”冈补充道
“将平面结构和器件的制造工艺降低到10纳米左右花了40年时间
现在我们可以在几个小时内不用昂贵的工具在试管中制造和组装纳米物体
单个晶格上的80亿个连接现在可以通过我们可以设计的纳米尺度过程进行自组装
每个连接可以是一个晶体管、一个传感器或一个光发射器——每个都可以是存储的一位数据
当摩尔定律放缓时，脱氧核糖核酸组装方法的可编程性将推动我们解决新材料和纳米制造中的问题
虽然这对于当前的方法来说极具挑战性，但对于新兴技术来说却非常重要
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