“我们现在可以利用自组装纳米组件构建复杂设定的3D结构，这就像是纳米版的帝国大厦，”哥伦比亚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与生物纳米材料组组长Gang说道。
“按设计制造3D纳米材料的能力对于许多新兴应用至关重要，范围涵盖从光操控到神经形态计算，以及从催化材料到生物分子支架和反应器，”Gang说。
在分别于7月9日发表在《自然·材料》和4月11日发表在《ACS Nano》上的两篇论文中，Gang及其同事描述了一种通过自组装制造目标3D纳米结构的新方法，该方法可应用于多种领域，他们还提供了一套供他人效仿的设计算法。
而这一切都基于最基本的生物分子构建单元：DNA。
新材料的一锅法合成
在微电子的小规模制造方面，传统方法基于“自上而下”的策略。一种常见的方法是光刻技术，它利用强光和精密的模板来蚀刻电路。但主流光刻技术在处理复杂的三维结构时显得力不从心，而增材制造（即3D打印）尚无法制造纳米级的特征。在工作流程方面，这两种方法都是逐一制造每个特征，即串行制造。这对于构建3D物体而言，本质上是一个缓慢的过程。
Gang从生物系统中获得启示，通过DNA导向的自组装过程，以“自下而上”的方式构建3D材料和器件。他一直通过与其他科学家的合作来完善其方法，例如构建他们工作中所需的极微小电子器件。
两个月前，他和他的前学生Aaron Michelson（现为布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心的职员科学家）为明尼苏达大学的合作者交付了一个原型，该合作团队致力于创建集成在微芯片上的3D光传感器。他们通过在芯片上生长DNA支架，然后涂覆光敏材料来构建这些传感器。
那只是众多器件中的第一个。他们在发表于《自然·材料》的最新论文中，Gang及其团队确立了一种逆向设计策略，用于从一组纳米级DNA组件和纳米粒子创建所需的3D结构。该研究展示了其“DNA折纸”方法在材料设计上的另外四种应用：由一维弦和二维层组成的类晶体结构；一种对太阳能电池板中常见材料的模拟；另一种呈螺旋状旋转的晶体；以及为哥伦比亚工程学院应用物理学教授、合作者Nanfang Yu构建的一种结构，该结构将以特定方式反射光线，以实现他终有一天制造出光子计算机的目标。
利用哥伦比亚大学和布鲁克海文国家实验室的先进表征技术，如基于同步辐射的X射线散射和电子显微镜方法，团队证实了所得结构与其设计相符，并揭示了提高结构保真度的设计考量。这些独特的结构均在Gang实验室的水孔中自组装而成。这种材料形成过程本质上是并行的，因为组件在组装过程中汇聚在一起，这意味着与传统方法相比，3D制造在时间和成本上都得到了显著节省。该制造过程也是环保的，因为组装是在水中进行的。
“这是一个适用于许多具有不同属性材料——生物、光学、电学、磁性——的平台，”Gang说。最终结果完全取决于设计。
DNA设计，变得简单
DNA的折叠方式是可预测的，因为组成它的四种核酸只能以特定的组合进行配对。但是，当所需结构包含数百万甚至数十亿个片段时，如何得出正确的起始序列呢？
Gang及其同事通过逆向结构设计方法解决了这一挑战。“如果我们知道想要创建的具有特定功能的大结构，我们可以将其解剖成更小的组件，以创建具备形成所需结构所需的结构、结合和功能属性的构建单元，”Gang说。
这些构建单元是折叠成机械坚固的八面体形状的DNA链，Gang将其称为体素，其每个角上都有连接器，用于将每个体素连接在一起。利用DNA编码，可以设计许多体素使其连接成特定的重复3D基序，这与拼图碎片拼成复杂画面的方式类似。这些重复的基序进而并行组装，形成目标分层组织结构。合作者、哥伦比亚大学化学工程Michael Bykhovsky和Charo Gonzalez-Bykhovsky教授Sanat Kumar对Gang的逆向设计方法进行了计算验证。
为了实现逆向设计策略，研究人员必须弄清楚如何设计这些基于DNA的纳米级“拼图碎片”，使其数量最少但仍能形成所需结构。“你可以把它想象成文件压缩。我们希望将信息量减至最少，以使DNA自组装效率最高，”第一作者、BNL职员科学家、曾任Gang课题组博士后Jason Kahn说道。该算法被称为结构编码组装图谱（Mapping Of Structurally Encoded aSsembly，简称MOSES），Gang补充说，这就像纳米级的CAD软件。“它会告诉你使用什么DNA体素来制造特定的、任意定义的3D分层有序晶格。”
在此基础上，可以在DNA体素内部添加不同类型的纳米“货物”，赋予最终结构特定的属性。例如，嵌入金纳米粒子以赋予独特的光学特性，正如Yu的实验所展示的那样。但是，正如之前所展示的，无机和生物来源的纳米组件都可以集成到这些DNA支架中。一旦器件组装完成，团队还对其进行了“矿化”。他们用二氧化硅涂覆支架，然后将其暴露于高温下以分解DNA，有效地将原来的有机支架转化为高度坚固的无机形式。
Gang继续与Kumar和Yu合作，揭示能够实现复杂结构工程和组装的设计原理，希望能实现更复杂的设计，包括旨在模仿人脑复杂连接性的3D电路。
“我们正在稳步建立自下而上的3D纳米制造平台。我们将此视为纳米尺度的‘下一代3D打印’，但现在基于DNA自组装的力量使我们能够实现大规模并行制造，”Gang说。