美国西北大学和密歇根大学的研究团队在组装多面体纳米粒子方面取得重大飞跃，可能会对先进材料的制造方式产生影响。在最新一期《科学》杂志上发表的论文中，研究人员介绍并展示了一种新型合成策略，它拓展了超材料设计的可能性。这些非同凡响的材料是“隐形斗篷”和超高速光学计算系统的基础。
人们在日常生活中用手操作宏观材料，即使是学龄前儿童也可轻松操纵玩具积木，并将它们很好地组合在一起。但是，在纳米尺度上，人们无法用手来摆弄纳米粒子，因为手和纳米粒子之间存在巨大的尺寸差异。DNA和纳米粒子的尺寸长度相同，且可用DNA对纳米粒子进行化学编码。于是，DNA就成了人们的“手”。这些“手”可识别形状互补的纳米粒子，并将它们排列起来形成空间填充结构。
使用DNA作为键合元件来设计纳米晶体的传统方法，尚未实现三维空间填充的平铺排列。此次，西北大学研究人员使用了更短、更灵活的分子配体——寡聚乙二醇修饰DNA。寡聚乙二醇单元可充当减震器，调整到适当的长度，以确保各种形状粒子可以近乎完美的方式装配在一起。到目前为止，研究人员已经合成了10种新的胶体晶体。
纳米粒子本质上是不完美的，即使是在同一合成批次中生产的单个纳米粒子的大小和形状也略有不同。这一特征可能会限制它们在组装时有效地填充空间的能力。此外，传统上用于组装的DNA链几乎与纳米粒子的直径一样长或更长，因此掩盖了粒子的几何形状对键合的一些关键贡献。
该团队克服了这两个障碍，解答了纳米技术的一个新前沿问题，使创建高度有序的胶体晶体成为可能。这些晶体的形状和尺寸曾被认为是不可能制造出来的。这项研究展示了使用简单的几何方法来设计大的、充满空间的胶体晶体的能力。这一突破不仅丰富了胶体晶体的设计空间，还为设计超材料提供了一个通用的工具包。
总编辑圈点
人类从观测到一种微观单元的存在，到可以直接操控它们，往往意味着科学技术的巨大跃迁。1953年科学家揭示了DNA双螺旋结构，生物学研究迈入分子时代。70年后的今天，无数生物学实验室正在使用“分子剪刀”——基因编辑技术对动植物的基因进行敲除和编辑，从而引发新一代生物技术革命。科学家对纳米粒子、量子等微观粒子的精准操控，也正在见证类似的技术飞跃历程。
(责任编辑：韩梦晨)
