纳米颗粒自组装， Nature Materials！

小奇

2025-07-14

在纳米尺度上精确控制物质的探索驱使研究人员将自组装作为一种构建有序结构的策略；然而，实现精确的三维（3D）组织仍然具有挑战性。在自然界中，生物系统能够通过高度特异性的生物分子相互作用，轻松地构建复杂的层次结构，这些相互作用通过进化得到优化。然而，由于设计具有特定各向异性和特异性定向相互作用的离散构建块本身就具有复杂性，因此合成复制这种精确的空间组织一直很困难。创建用于胶体组装的理想纳米颗粒需要严格控制颗粒形貌和表面化学性质，这限制了可实现的纳米结构的复杂性和多样性。

DNA纳米技术已成为一种强大的工具，可以对纳米颗粒之间的可编程相互作用进行编码，从而为克服这些限制提供了一种途径。由Mirkin院士和Oleg Gang率先提出的DNA功能化纳米颗粒，使得具有预定几何形状的胶体晶体的可编程合成成为可能。作为这些努力的补充，DNA折纸支架技术已发展成为一种强大的策略，可实现两项关键功能：实现纳米级空间控制DNA折纸上的粒子位置，用于等离子体等应用；以及将组装指令直接编码到纳米粒子中，以指导更大规模的层次化组织。尽管取得了这些进展，但将该方法扩展到大规模、复杂的纳米粒子组装仍然难以实现。天然层次结构的复杂性与现有合成方法可实现的相对简单的排列之间的巨大差距，凸显了对能够可靠地构建指定三维纳米粒子超结构的创新方法的迫切需求。

近日，哥伦比亚大学Oleg Gang等人提出了一种逆向设计策略，该策略能够利用DNA编码的相互作用，将纳米粒子自组装成复杂的、层次有序的三维结构。他们的工作解决了长期以来将纳米粒子组装成具有前所未有的复杂性、定义明确的大规模结构的挑战，而这一能力是传统方法难以实现的。

该课题组基于他们早期利用二维 DNA 折纸框架构建纳米粒子支架的研究成果，将利用三维八面体 DNA 折纸构建的超晶格重新设计为立方体网格，从而控制金纳米粒子 (AuNP) 的定位，从而进一步推进了这一概念。通过嫁接互补的 DNA 链，AuNP 被封装到特定的 DNA 八面体中，其主要挑战在于如何高效地控制 DNA 相互作用，从而引导纳米粒子进入目标模式，同时又不引入过多的复杂性。

为了解决这个问题，Gang 及其同事引入了一种逆向设计策略。目标结构被体素化为一个简单的立方体网格，每个体素对应一个 DNA 折纸单元。该设计过程的核心是一个名为“中体素”的概念构建块，它是一个由多个体素组成的重复结构基序。中体素中编码了三层可设计参数：(1)内部结合，用于将 AuNP 锚定在单个体素内；(2) 中体素内相互作用，用于稳定基序的中间结构；以及 (3) 中体素间键，用于在整个晶格中建立层次顺序。虽然这种模块化设计可以实现任意的纳米颗粒图案化，但优化相互作用的组合复杂性会迅速增加。为了缓解这个问题，该团队利用对称操作（例如目标结构固有的旋转和平移不变性）来最小化冗余的相互作用代码。通过系统地减少独特的结合规则数量，该方法简化了组装指令，同时提高了结构精度、可重复性和可扩展性。

图|通过编码有色键和方向键的体素，逆向设计和组装多级有序三维纳米结构

作者通过组装多种纳米粒子结构（包括一维链、三维周期性二维平面、面心钙钛矿类晶格和螺旋排列）展示了其方法的多功能性。尽管这些结构具有层次复杂性，但所有组装均通过涉及预混合组分热退火的“一锅法”工艺实现。该团队使用小角度 X射线散射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜验证了这些超晶格的结构保真度。为了实现直接的三维可视化，他们将 DNA折纸框架嵌入二氧化硅中，并利用聚焦离子束连续切片技术重建晶格内金纳米粒子 (AuNP) 的位置，从而明确地确认了目标基序的形成。将中体素设计的复杂性与组装结果关联起来，一个关键的发现浮现出来：编码更少独特相互作用的更简单的中体素能够持续产生更大、更有序的晶体域。蒙特卡罗模拟反映了这一趋势，表明与复杂的设计相比，最小相互作用设计的晶簇生长速度更慢。这表明，降低相互作用冗余度可以降低成核速率，同时提高生长效率。

图|使用相同外部色键的不同排列，构建一维和二维多级纳米颗粒结构

图|使用设计好的、信息量不同的中体素组，组装面心钙钛矿晶体结构的规定纳米级类似物

该方法的实用性通过基于纳米粒子的分布式布拉格反射器的制造得以凸显——这种光学器件需要纳米级的粒子间距精度。通过编程二维周期性纳米粒子平面，使其面间距与五个体素单位匹配，该团队实现了可调的光学反射带。为了进一步证明该平台的适应性，他们在合成后调节了掺入纳米粒子的尺寸，从而展示了组装结构的光学特性可以动态调整。

图|由螺旋状纳米颗粒基序构建三维晶体

除了方法论上的进步之外，这项工作还建立了一个多功能平台，用于设计具有定制功能的纳米粒子架构。虽然该策略是使用 DNA 八面体和金纳米粒子 (AuNP) 进行演示的，但其可推广至其他 DNA 折纸框架，这些框架设计用于除简单立方结构之外的晶格网格以及多种纳米粒子类型，例如硅纳米粒子或量子点。通过模块化 DNA 折纸设计或扩展模块调整晶格参数的能力进一步扩展了这些组件的功能潜力。这种适应性为探索新的物理特性开辟了新的机会，通过精确的纳米粒子定位，显著促进了光子超材料、等离子体传感器阵列和催化系统中的应用。

图|设计具有纳米级（平面内）和光子级（平面间）间距机制的三维纳米颗粒结构

展望未来，该研究提出了几个未来研究的关键方向。扩展 DNA 折纸晶格的规模和复杂性以形成更大的单晶结构是一个极具吸引力的机遇。这些进展可以显著增强这些系统在光子和电子材料中的适用性。此外，探索优化纳米粒子封装保真度和一致性的方法可以进一步提高结构精度，从而拓宽该方法的实际应用。此外，利用计算设计工具来探索广阔的参数空间，或许能够实现更加复杂、功能更强大的纳米颗粒排列。这些进步有望拓展材料设计的前沿，使可编程物质能够实现前所未有的结构和功能控制。

参考文献：

Kahn, J.S., Minevich, B., Michelson, A. et al. Encoding hierarchical 3D architecture through inverse design of programmable bonds. Nat. Mater. (2025).

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02263-1