试想一下，你可以用DNA而非钢材"打印"出一座微型摩天大楼。这正是哥伦比亚大学和布鲁克海文国家实验室的研究人员正在探索的领域——通过利用DNA链可预测的折叠特性，构建复杂的三维纳米结构。他们开发的新型设计方法采用类似体素的构建模块和名为MOSES的算法，能够实现纳米级器件的并行制造，应用领域涵盖光计算到生物支架等方向。与传统的光刻技术或3D打印不同，这种自组装过程完全在水溶液中完成，有望彻底革新未来的纳米制造工业。
"我们现在可以通过自组装的纳米构件建造复杂预设的3D结构，类似于帝国大厦的纳米尺度版本，"哥伦比亚大学工程学院化学工程与应用物理及材料科学教授、布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心软物质与生物纳米材料组负责人Gang表示。
"通过设计制造3D纳米材料的能力对许多新兴应用至关重要，包括光操纵、神经形态计算、催化材料以及生物分子支架和反应器等，"Gang补充道。
在分别发表于7月9日《自然·材料》和4月11日《ACS纳米》的两篇论文中，Gang团队提出了一种通过自组装制备定制3D纳米结构的新方法，并提供了可供他人复现的设计算法。
这种方法的核心基础正是最基本的生物分子构件——DNA。
新型材料的"一锅法"制造
传统微电子器件的小型化制造主要采用自上而下的策略。光刻技术是常用方法之一，它利用强光源和精密模板进行电路蚀刻。但主流光刻技术难以处理复杂三维结构，而增材制造（即3D打印）尚无法实现纳米级特征加工。这两种方法都需要逐个特征顺序加工，对于构建3D对象来说本质上是低速过程。
受生物系统启发，Gang通过DNA指导的自组装过程自下而上构建3D材料和器件。他与多位科学家合作不断完善该方法，例如为满足科研需求开发极小尺寸电子元件。
两个月前，他与前团队成员、现任布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心科学家的Aaron Michelson合作，为明尼苏达大学的研究者提供了集成于微芯片的3D光传感器原型。该器件通过在芯片表面生长DNA支架并包覆光敏材料制成。
这仅是系列成果的开端。在最近发表于《自然·材料》的论文中，Gang团队提出了一种逆向设计策略：利用DNA纳米组件和纳米粒子构建预定3D结构。研究展示了其"DNA折纸术"材料设计方法的四种新应用：包含一维链与二维层的类晶体结构；模拟太阳能板材料的构建；具有螺旋旋转特性的晶体；以及为哥伦比亚应用物理系教授Nanfang Yu定制开发的特殊光反射结构，服务于其未来构建光学计算机的目标。
研究团队通过同步辐射X射线散射和电子显微分析等先进表征技术，在哥伦比亚大学和布鲁克海文国家实验室验证了制备结构与设计的一致性，并揭示了提高结构保真度的设计考量。这些独特结构均在实验室的水相环境中自组装完成。这种并行化材料成型方式相比传统方法可显著节省时间和成本，且水相组装过程符合环保要求。
"这是一个适用于多种材料的通用平台：生物材料、光学材料、电磁材料等，"Gang表示，"最终结果完全取决于设计思路。"
简易化的DNA设计
尽管DNA的四个碱基具有特定的配对规则可实现可预测折叠，但当目标结构包含数百万甚至数十亿组件时，如何确定正确的初始序列？
Gang团队通过逆向结构设计攻克了这一难题。"如果我们已知所需功能对应的宏观结构，就可以将其解构为具有特定结构、结合及功能属性的基础模块，"Gang解释道。
这些基础模块是折叠成机械稳定性八面体结构的DNA链，Gang称其为体素（voxel）。每个体素顶点都设有连接位点，通过DNA编码可实现多体素按预定3D构型连接，类似于拼图组合原理。重复模块经并行组装后可形成层次分明的目标结构。哥伦比亚大学化学工程系Michael Bykhovsky和Charo Gonzalez-Bykhovsky讲席教授Sanat Kumar通过计算验证了该逆向设计方法的有效性。
为实现逆向设计策略，研究人员需要确定构建目标结构所需的最小DNA纳米拼图单元。"这类似于文件压缩过程，我们希望最小化DNA自组装所需的信息量，"第一作者、布鲁克海文国家实验室科学家Jason Kahn（原Gang团队博士后）指出。这项名为MOSES（结构编码组装映射）的算法被Gang类比为纳米级CAD软件："它能告诉你使用何种DNA体素来构建任意定义的3D层级有序晶格。"
随后，研究人员可在DNA体素内装载赋予最终结构特定功能的纳米"货物"。例如在Yu的实验中嵌入了金纳米粒子以产生独特光学特性。团队还演示了通过"矿化"工艺：先用二氧化硅包覆DNA支架，再通过高温分解DNA，将有机支架转化为高稳定性无机结构。
Gang团队正与Kumar和Yu深化合作，探索实现更复杂设计的工程原理，包括模拟人脑复杂连接性的3D电路结构。"我们正在建立自下而上的3D纳米制造平台，这将是'下一代纳米级3D打印技术'，而DNA自组装的威力将实现大规模并行制造，"Gang总结道。