"我们现在可以利用自组装的纳米构件搭建复杂的预设三维结构，就像纳米尺度的帝国大厦，"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冈教授表示。
"通过设计制造三维纳米材料的能力对于许多新兴应用至关重要，包括光操控、神经形态计算、催化材料以及生物分子支架和反应器等领域，"冈教授补充道。
通过两篇论文（其中一篇发表于7月9日的《自然·材料》杂志，另一篇发表于4月11日的《ACS纳米》），冈教授团队提出了一种通过自组装制备定制化三维纳米结构的新方法，并为此提供了一个通用设计算法框架。
这项革命性技术的核心基础正是最基本的生物分子构件——DNA。
一体化材料合成新途径
在微电子器件的微纳加工领域，传统方法普遍采用自上而下的策略。例如光刻技术依赖强光源和精密模板进行电路蚀刻，但主流光刻工艺难以处理复杂三维结构，而增材制造（即3D打印）目前尚无法实现纳米级特征加工。从工艺流程来看，这两种方法都需要逐个加工特征单元，本质上是串行处理模式，导致三维物体构建效率低下。
受生物系统启发，冈教授开创了基于DNA导向自下而上的三维材料构建方法。通过与不同领域科学家的合作，例如为合作伙伴研制微型电子元件，这一技术持续得到完善。
两个月前，冈教授与其前团队成员、现布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心科学家亚伦·米切尔森，为明尼苏达大学团队研发了首个三维光传感器原型器件。该器件通过在芯片表面生长DNA支架并涂覆光敏材料制成。
这项成果仅仅是开始。近期发表于《自然·材料》的论文中，研究团队展示了一种从纳米级DNA构件和纳米粒子出发的逆向设计策略。研究列举了四项"DNA折纸"材料设计法的创新应用：由一维链状结构与二维层状结构组成的类晶体材料；太阳能电池常用材料的仿生结构；螺旋旋转的晶体结构；以及为哥伦比亚工程应用物理系于南方教授设计的特殊光反射结构，服务于未来光学计算机的研发目标。
研究团队借助哥伦比亚大学和布鲁克海文国家实验室的同步辐射X射线散射及电子显微技术，证实了所得结构与设计目标的高度一致性，并揭示了提升结构保真度的关键设计要素。这些独特结构均在实验室的水相环境中自组装形成，实现了并行化制备过程。与传统工艺相比，这种制备方式显著降低了三维加工的时间与经济成本，且全程水相反应的特性使其具有环境友好优势。
"这个平台适用于众多具有不同特性的材料体系：生物材料、光学材料、电子材料、磁性材料，"冈教授强调，"最终产物的功能完全取决于初始设计。"
智能化的DNA设计路径
尽管DNA的四碱基配对法则使其折叠具有可预测性，但当目标结构涉及百万乃至十亿级构件时，如何确定正确的初始序列组合？
研究团队通过逆向结构设计法攻克了这一难题。"如果已知功能化目标结构的宏观形态，我们可以将其解构为具有特定结构、键合及功能属性的基础模块，"冈教授解释道。
这些基础模块为八面体结构的刚性DNA链单元（被称作"体素"），每个顶角设有连接位点。通过DNA编码程序，大量体素可组装成特定的三维重复单元，如同拼图模块组合成复杂图案。哥伦比亚大学化学工程系Sanat Kumar教授团队为这种逆向设计方法提供了计算验证支持。
为确保逆向设计策略的可行性，研究人员需要确定构建目标结构所需的最简DNA体素数量。"这类似于文件压缩过程，我们要最大限度精简DNA自组装所需的信息量，"论文第一作者、布鲁克海文国家实验室科学家Jason Kahn表示。这项被命名为MOSES（结构编码组装映射）的算法被冈教授比喻为"纳米级CAD软件"，可以指导研究人员选用特定DNA体素构建任意定义的三维层级有序晶格。
在DNA体素框架内，研究人员可植入各类功能化纳米"货物"。例如在黄金纳米粒子包埋实验中展现了独特光学特性。此前研究已证明，无机与生物源纳米元件均可整合到此类DNA支架中。组装完成后，团队还采用硅酸盐包覆并进行高温处理，成功将原始有机支架转化为高稳定性的无机形态。
目前，冈教授团队正与Sanat Kumar教授和于南方教授展开深度合作，致力于揭示复杂结构的设计法则，包括模拟人脑神经网络的三维电路构建。
"我们正在稳步建立自下而上的三维纳米制造平台。这相当于'下一代纳米级3D打印'，而DNA自组装的强大能力将实现真正意义上的大规模并行制造，"冈教授总结道。