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纳米材料

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DNA折纸产生二氧化硅‘diatoms’

美国和中国的研究人员使用一种称为DNA折纸的技术成功设计出了仿生二氧化硅纳米复合材料,该复合材料具有预先定义的尺寸和形状,分辨率低于5nm。该技术是一种利用DNA结构指导二氧化硅矿化的新方法,可以扩展到其他无机材料以及金属氧化物。产生的结构可以在纳米电子学,光子学和机器人学中找到应用。

DNA-silica hybrid materials

DNA折纸依赖于利用DNA的四个核苷酸A,T,C和G的碱基对来产生无限多种自组装的工程形状。所得的纳米结构可以用作支架或微型电路板,以精确构建碳纳米管和纳米线等组件。

尽管功能强大,但该技术的主要局限性之一是需要在盐水溶液中形成DNA形状,这会产生表面电荷,实际上可以阻止材料组装。它还会损坏硅晶片等表面。

改良的Stöber方法

研究者领导 范春海 中国科学院和上海交通大学 郝燕 亚利桑那州立大学的密歇根州立大学现已使用所谓的Stöber方法来克服这些问题,该方法在工业上广泛用于生产二氧化硅纳米结构。

“Stöber方法是一种化学过程,利用原硅酸四乙酯(TEOS)制备SiO2 可控且尺寸均匀的颗粒用于材料科学,”范先生解释说。 “它是由WernerStöber于1968年首次提出的。我们通过将TEOS与N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N,N,N-三甲基氯化铵(TMAPS)预混合以形成具有足够正电荷以静电结合的二氧化硅的预水解簇,对这种方法进行了改进。带负电荷的DNA模板的表面。

“我们称此过程为DNA折纸硅化(DOS),可诱导DNA上无定形二氧化硅的生长。”

2D和3D纳米结构

研究人员制造了不同形状的纳米结构,包括二维正方形,三角形,十字形和模仿硅藻(海洋单细胞生物)的结构。他们还制作了3D对象,包括立方体,四面体,半球,环形和椭圆形。可以将结构制成尺寸在10 nm至1 µm之间的任何位置,并且可以通过改变生长时间来控制其厚度(从而提高刚度)。

范和研究的主要作者刘晓国说,重要的是,这些结构具有很高的比强度(一种衡量材料抗断裂强度的方法,相对于其密度)。 “我们测得的DNA-二氧化硅杂化体的压缩E模量比纯DNA纳米结构高10倍,并且发现3D框架像弹簧一样坚硬而灵活。”

在这方面,这些结构类似于硅藻,其二氧化硅外骨骼拥有任何已知生物材料中最高的比强度。

“告诉我们,在我们的工作中,DNA纳米结构可以用作合成无机材料的模板。” 物理世界。 “我们提出的技术使我们能够将几何信息从'designer'DNA结构(例如核酸框架)转移至无机物。只要能找到合适的合成条件,原则上就应该可以制造出复合材料,其中其他无机材料覆盖了DNA折纸形状。通过在DNA模板上逐步沉积一种以上的无机材料,也可以实现多组分复合材料。”

该技术在下面详细介绍 性质 10.1038 / s41586-018-0332-7.

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