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納米尺度上的“下一代3D打印”:DNA自組裝技術(shù)構(gòu)建出復(fù)雜結(jié)構(gòu)

2025-07-11 來(lái)源:中國(guó)科技網(wǎng)
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關(guān)鍵詞: DNA 自組裝技術(shù),3D 納米結(jié)構(gòu),逆向設(shè)計(jì)策略,跨學(xué)科應(yīng)用,納米制造平臺(tái)

科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

包括美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)在納米材料制造領(lǐng)域取得重要突破:他們基于DNA自組裝技術(shù),構(gòu)建出復(fù)雜的3D納米結(jié)構(gòu)。最新一期《自然·材料》雜志發(fā)表兩篇論文詳細(xì)介紹這一納米尺度上的“下一代3D打印”。該成果對(duì)于多個(gè)前沿應(yīng)用至關(guān)重要,包括光子學(xué)、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算、催化材料、生物分子支架和反應(yīng)器等。


使用DNA可編程鍵組裝設(shè)計(jì)的納米顆粒結(jié)構(gòu)(左)。圖片來(lái)源:美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室


這項(xiàng)技術(shù)的核心是DNA分子。團(tuán)隊(duì)利用DNA的堿基配對(duì)特性,設(shè)計(jì)出可自我識(shí)別并組裝成特定形狀的納米級(jí)“體素”,即三維像素單位。這些體素可像拼圖一樣組合在一起,形成高度復(fù)雜且具有功能性的納米結(jié)構(gòu)。這種“自下而上”的構(gòu)建方式,與傳統(tǒng)的“自上而下”光刻工藝截然不同,不僅效率更高,而且更適用于納米級(jí)別的精細(xì)制造。

團(tuán)隊(duì)展示了該方法的廣泛適用性。例如兩個(gè)月前,他們?yōu)槊髂崽K達(dá)大學(xué)提供了一個(gè)嵌入微芯片的3D光傳感器原型。該裝置通過(guò)在芯片上培育DNA支架,并涂覆感光材料制成,展現(xiàn)了其在光電領(lǐng)域的潛力。

此外,團(tuán)隊(duì)還提出了一種逆向設(shè)計(jì)策略,可從目標(biāo)結(jié)構(gòu)出發(fā),反推出所需的DNA構(gòu)建塊及其序列。這種方法被稱(chēng)為MOSES(結(jié)構(gòu)編碼自組裝),類(lèi)似于納米級(jí)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件,可幫助用戶(hù)確定使用哪些DNA體素來(lái)構(gòu)建特定的三維晶格結(jié)構(gòu)。

團(tuán)隊(duì)為此進(jìn)行了大量計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。他們將金納米顆粒等材料整合進(jìn)DNA支架中,賦予最終結(jié)構(gòu)獨(dú)特的光學(xué)性能,并增強(qiáng)了其穩(wěn)定性,使其在高溫環(huán)境下仍能保持結(jié)構(gòu)完整。

團(tuán)隊(duì)正進(jìn)一步探索如何利用這一平臺(tái)構(gòu)建更復(fù)雜的三維電路,甚至模擬人腦的神經(jīng)連接結(jié)構(gòu),進(jìn)而穩(wěn)步推進(jìn)一個(gè)“自下而上”的3D納米制造平臺(tái)。

總編輯圈點(diǎn)

這項(xiàng)技術(shù)的最大亮點(diǎn),是能在跨學(xué)科多領(lǐng)域展現(xiàn)巨大潛力。如在生物醫(yī)藥方面,它能用于精準(zhǔn)藥物遞送系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),同時(shí)其生物相容性也為體內(nèi)植入式器件提供了安全基礎(chǔ);在綠色能源方面,這種精確控制材料排列的方式,可用于設(shè)計(jì)高效催化劑結(jié)構(gòu),提升燃料電池或二氧化碳轉(zhuǎn)化裝置的效率;此外,借助其可編程特性,還可開(kāi)發(fā)智能響應(yīng)型材料,使其在不同環(huán)境刺激下改變結(jié)構(gòu)或功能,應(yīng)用于柔性電子、自修復(fù)涂層等領(lǐng)域。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,這項(xiàng)技術(shù)或?qū)⒋呱拔镔|(zhì)編程”這一新范式——就像我們編寫(xiě)軟件一樣,未來(lái)科學(xué)家可以直接“編寫(xiě)”物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)從數(shù)字設(shè)計(jì)到物理存在的無(wú)縫銜接。

責(zé)任編輯:孫瑩




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