布鲁克海文国家实验室 三维有序纳米结构的可编程组装示意图，这些纳米结构来自可以携带具有不同功能的无机或有机纳米粒子的材料体素，例如光发射器和光吸收器、蛋白质和具有化学活性的酶
材料体素由不同种类的脱氧核糖核酸和纳米物体构成，它们的组装由体素设计和脱氧核糖核酸可编程的相互作用来指导
学分:布鲁克海文国家实验室 科学家已经开发了一个平台，用于将不同类型(无机或有机)的纳米材料组件或“纳米物体”组装成所需的三维结构
尽管自组装已经成功地用于组织几种纳米材料，但是该过程是非常系统化的，根据材料的内在特性产生不同的结构
正如今天发表在《自然材料》杂志上的一篇论文所报道的那样，他们的新的可编程DNA纳米制造平台可以应用于以相同的规定方式在纳米尺度(十亿分之一米)上组织各种三维材料，在纳米尺度上出现独特的光学、化学和其他特性
功能纳米材料中心(CFN)软纳米材料和生物纳米材料小组负责人奥列格·冈(Oleg Gang)解释说:“模拟退火不是实际应用的首选技术的一个主要原因是，相同的模拟退火工艺不能应用于更广泛的安歌材料，以从不同的纳米组件创建相同的三维有序阵列。”
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能源部在布鲁克海文国家实验室的科学用户设施办公室——以及哥伦比亚工程学院的化学工程和应用物理与材料科学教授
“在这里，我们通过设计能够封装各种无机或有机纳米物体(包括金属、半导体，甚至蛋白质和酶)的刚性多面体DNA框架，将模拟退火过程与材料特性脱钩
" 科学家们设计了立方体、八面体和四面体形状的合成DNA框架
在框架内是脱氧核糖核酸“臂”，只有具有互补脱氧核糖核酸序列的纳米物体才能与之结合
这些物质体素——脱氧核糖核酸框架和纳米物体的结合——是构建大规模三维结构的基础
根据顶点编码的互补序列，这些帧相互连接，而不管内部(或外部)是什么样的纳米物体
根据它们的形状，框架有不同数量的顶点，因此形成完全不同的结构
框架内的任何纳米物体都具有特定的框架结构
由无机和有机纳米物体组装三维晶格的平台示意图，其DNA框架形状为四面体(顶行)、八面体(中间行)和立方体(底行)
框架价由顶点决定，对应于连接(键)的数量以及这些连接相对于彼此的组织方式
例如，四面体框架的化合价为4
最终的三维晶格是基于脱氧核糖核酸框架的形状——四面体框架组装成菱形结构，八面体组装成简单的立方体，立方体组装成体心立方——而不管框架内是哪个纳米物体(如果有的话)
信用:天然材料 为了展示他们的组装方法，科学家们选择了金属(金)和半导体(硒化镉)纳米粒子和细菌蛋白质(链霉亲和素)作为无机和有机纳米物体，放置在DNA框架内
首先，他们通过在CFN电子显微镜中心和范·安第尔研究所用电子显微镜成像，证实了脱氧核糖核酸框架的完整性和物质体素的形成。范·安第尔研究所有一套在低温下操作生物样品的仪器
然后，他们在国家同步光源二号(NSLS二号)的相干硬x光散射和复杂材料散射光束线上探测了三维晶格结构，这是美国能源部科学办公室在布鲁克海文实验室的另一个用户设施
哥伦比亚工程大学化学工程系教授萨纳特·库马尔和他的团队进行了计算建模，揭示了实验观察到的晶格结构(基于x光散射模式)是材料体素能形成的热力学最稳定的结构
库马尔解释说:“这些物质体素允许我们开始使用从原子(和分子)及其形成的晶体中获得的想法，并将这些丰富的知识和数据库移植到纳米尺度的感兴趣的系统中。”
随后，冈在哥伦比亚大学的学生演示了组装平台是如何被用来驱动具有化学和光学功能的两种不同材料的组织的
在一个案例中，他们将两种酶组装在一起，形成了高堆积密度的三维阵列
尽管酶的化学性质保持不变，但它们的酶活性却增加了约四倍
这些“纳米反应器”可以用来操纵级联反应，并使化学活性材料的制造成为可能
在光学材料演示中，他们混合了两种不同颜色的量子点——用于制作高色彩饱和度和亮度电视显示器的微小纳米晶体
用荧光显微镜拍摄的图像显示，形成的晶格保持了低于光的衍射极限(波长)的颜色纯度；这种特性可以在各种显示和光通信技术中显著提高分辨率
“我们需要重新思考材料是如何形成的，以及它们是如何发挥作用的，”冈说
“材料重新设计可能没有必要；简单地以新的方式包装现有材料可以提高它们的性能
我们的平台有可能成为一种“超越三维印刷制造”的使能技术，以更小的规模和更大的材料种类和设计成分来控制材料
用同样的方法从不同材料类别的纳米物体中形成三维晶格，整合那些原本被认为是不相容的物体，可以彻底改变纳米制造
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