忘掉3D打印吧——现在DNA和水能构建可自我组装的微型机器

"我们现在能够用自组装的纳米构件搭建复杂预设的三维结构，这就像是帝国大厦的纳米级版本，"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性及生物纳米材料组负责人Gang表示。

"按需制造三维纳米材料的能力对许多新兴应用至关重要，从光操纵到神经形态计算，从催化材料到生物分子支架和反应器，"Gang补充道。

在7月9日发表于《自然·材料》和4月11日发表于《ACS纳米》的两篇论文中，Gang团队提出了一种通过自组装制备目标三维纳米结构的新方法，该方法可应用于多种场景，并为同行提供了可遵循的设计算法。

这一切都基于最基本的生物分子构件：DNA。

新材料的一站式解决方案

微电子的小型化制造通常采用自上而下的策略。光刻是常用技术，通过强光和精密模具来蚀刻电路。但主流光刻技术难以处理复杂的三维结构，而增材制造（即3D打印）尚无法实现纳米级精度。这两种方法都需要逐个特征顺序加工，这种串行工艺导致三维物体构建效率低下。

受生物系统启发，Gang采用自下而上的DNA引导自组装技术构建三维材料和器件。通过与科学家合作，他不断优化该方法，例如为合作者制造研究工作所需的微型电子器件。

两个月前，他与布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心的科学家Aaron Michelson（曾是其学生）为明尼苏达大学的研究者开发了原型器件——该团队希望在微芯片上集成三维光传感器。他们通过在芯片上培育DNA支架并涂覆光敏材料实现了这一目标。

这只是系列成果的开端。在最新《自然·材料》论文中，Gang团队建立了从纳米级DNA组件和纳米颗粒逆向设计目标三维结构的策略。研究展示了"DNA折纸"材料设计法的四种应用：由一维链和二维层构成的类晶体结构；模拟太阳能板常见材料的结构；具有螺旋扭曲特性的晶体；以及为哥伦比亚大学应用物理系教授Nanfang Yu设计的特殊光反射结构——后者旨在为未来光学计算机研发铺路。

借助同步辐射X射线散射和电子显微镜等先进表征技术，研究团队在哥伦比亚大学和布鲁克海文国家实验室验证了所得结构与设计的吻合度，并提出了提升结构保真度的设计方案。这些独特结构均在实验室的水溶液中自组装完成。这种并行组装方式相比传统方法可显著节省三维制造的时间和成本，且环保无污染。

"该平台适用于多种特性的材料：生物、光学、电学、磁性材料，"Gang指出，"最终效果仅取决于设计。"

简易化的DNA设计

DNA具有可预测的折叠特性，因其四种核酸仅能特定配对。但当目标结构包含数百万甚至数十亿组件时，如何确定正确的起始序列？

Gang团队通过逆向结构设计攻克了这一难题。"已知目标功能结构时，我们可以将其解构为具有特定结构、结合和功能属性的基础构件，"Gang解释道。

这些构件是折叠成机械强度八面体（Gang称为体素）的DNA链，每个角点设有连接器。通过DNA编码，众多体素可像拼图般组装成特定三维重复模块。合作者Sanat Kumar（哥伦比亚大学化学工程系教授）通过计算验证了这种逆向设计方法。

为实现逆向设计，研究者需要确定形成目标结构所需的最少DNA纳米"拼图"数量。"这类似于文件压缩，我们要最小化DNA自组装的信息量，"第一作者Jason Kahn（布鲁克海文国家实验室科学家）表示。他们开发的MOSES算法如同纳米级CAD软件，"能告诉你用何种DNA体素构建任意定义的三维层级有序晶格"。

在此基础上，可在DNA体素内添加各类纳米"货物"以赋予最终结构特殊性能。例如Yu实验中嵌入的金纳米粒子带来了独特光学特性。研究还显示无机和生物源纳米组件均可集成到DNA支架中。组装完成后，团队通过硅涂层和加热分解DNA的"矿化"处理，将有机支架转化为高强度的无机形式。

Gang正与Kumar和Yu合作探索更复杂结构的设计原理，包括模拟人脑复杂连接的三维电路。"我们正在建立自下而上的三维纳米制造平台，这堪称'下一代纳米级3D打印'，而DNA自组装将实现大规模并行制造，"Gang总结道。