摘要：帝国大厦建成时，其102层楼高耸于市中心，逐块逐块地建造，最终在40年的时间里，成为当时世界最高建筑。而在哥伦比亚大学上城区，奥列格·甘和他的化学工程实验室建造的并非装饰艺术风格的建筑；他们的地标建筑是由纳米级积木构建而成的微型装置，这些积木可以自行排列。

帝国大厦建成时，其102层楼高耸于市中心，逐块逐块地建造，最终在40年的时间里，成为当时世界最高建筑。而在哥伦比亚大学上城区，奥列格·甘和他的化学工程实验室建造的并非装饰艺术风格的建筑；他们的地标建筑是由纳米级积木构建而成的微型装置，这些积木可以自行排列。

哥伦比亚工程学院化学工程、应用物理和材料科学教授、布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心软和生物纳米材料组负责人 Gang 表示：“我们现在可以通过自组装纳米组件构建复杂规定的 3D 组织，这是一种纳米级的帝国大厦。”

“通过设计制造 3D 纳米级材料的能力对于许多新兴应用至关重要，从光操控到神经形态计算，从催化材料到生物分子支架和反应器，”Gang 说道。

在两篇论文中，一篇发表在《自然材料》上，另一篇发表在《ACS Nano》上，Gang 和他的同事描述了一种通过自组装制造目标 3D 纳米级结构的新方法，该方法可用于各种应用，并且他们为其他人提供了一种设计算法。

这一切都基于最基本的生物分子构件：DNA。

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在微电子器件的小规模制造方面，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，它使用强光和复杂的模板来蚀刻电路。但主流的光刻技术难以处理复杂的三维结构，而增材制造（更广为人知的3D打印）尚无法制造纳米级的特征。就工作流程而言，这两种方法都是逐个、连续地制造每个特征。这对于构建3D物体来说，本质上是一个缓慢的过程。

甘从生物系统汲取灵感，通过DNA引导的自组装过程，自下而上地构建3D材料和设备。他一直在与其他科学家合作，不断改进自己的方法，例如构建他们工作所需的极微型电子设备。

两个月前，他和他以前的学生、现任布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心研究员的亚伦·迈克尔逊（Aaron Michelson）向明尼苏达大学的合作者们展示了一款原型，他们有意在微芯片上集成3D光传感器。他们通过在芯片上生长DNA支架，然后用感光材料涂覆来构建传感器。

该装置只是众多装置中的第一个。在他们发表在《自然材料》杂志上的最新论文中，Gang 和他的团队建立了一种逆向设计策略，可以从一组纳米级 DNA 成分和纳米颗粒中创建所需的 3D 结构。

这项研究展示了他们的“DNA折纸”方法在材料设计中的另外四种应用：由一维弦和二维层组成的晶体状结构；太阳能电池板中常见材料的模拟物；另一种以螺旋状旋转的晶体；以及，对于合作者、哥伦比亚工程学院应用物理学教授 Nanfang Yu 来说，这是一种能以特定方式反射光的结构，他有朝一日的目标是制造出一台光学计算机。

研究小组利用哥伦比亚和布鲁克海文国家实验室的同步加速器 X 射线散射和电子显微镜方法等先进表征技术，确认最终结构符合其设计，并揭示了提高结构保真度的设计考虑因素。

这些独特的结构都是在Gang实验室的水井中自行组装的。这种材料形成方式本质上是平行的，因为组件在组装过程中组装在一起，这意味着与传统方法相比，3D制造可以显著节省时间和成本。由于组装是在水中进行的，因此制造过程也非常环保。

“这个平台适用于多种具有不同特性的材料：生物、光学、电学、磁性，”Gang说道。最终结果完全取决于设计。

DNA 设计，变得简单

DNA折叠具有可预测性，因为组成它的四种核酸只能以特定的组合配对。但是，当所需的结构包含数百万甚至数十亿个片段时，如何确定正确的起始序列呢？

Gang和他的同事们用逆向结构设计方法解决了这一难题。“如果我们知道了我们想要创建的具有功能的大型结构，我们就可以将其分解成更小的组件，从而创建具有所需结构、结合和功能属性的构建块，”Gang说。

这些构建块是折叠成机械强度高的八面体形状的DNA链，Gang将其称为体素，每个角上都有连接器将各个体素连接在一起。许多体素可以通过DNA编码设计成特定的重复性3D图案，类似于拼图碎片构成复杂图像的方式。

重复的基序也依次平行组装，以创建目标层次化的组织结构。合作者Sanat Kumar，哥伦比亚大学Michael Bykhovsky和Charo Gonzalez-Bykhovsky化学工程教授，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”，并以最少的数量形成所需的结构。

“你可以把它想象成压缩文件。我们希望尽量减少信息量，使 DNA 自组装最高效，”第一作者 Jason Kahn 说，他是 BNL 的一名科学家，曾是 Gang 团队的博士后。

这种算法被称为“结构编码组装映射”（Mapping Of Structurally Encoded aSsembly，简称MOSES），类似于纳米级的CAD软件，Gang补充道。“它会告诉你应该使用哪个DNA体素来构建一个特定的、任意定义的三维层次有序晶格。”

在此基础上，你可以在DNA体素中添加不同类型的纳米“载体”，赋予最终结构特定的特性。例如，嵌入金纳米粒子可以赋予其独特的光学特性，正如Yu的实验所证明的那样。但是，正如之前所展示的，无机纳米成分和生物衍生纳米成分都可以整合到这些DNA支架中。

该装置组装完成后，研究团队还对其进行了“矿化”处理。他们用二氧化硅覆盖支架，然后将其暴露在高温下分解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，探索允许设计和组装复杂结构的设计原理，希望实现更复杂的设计，包括旨在模仿人类大脑复杂连接的 3D 电路。

“我们正在顺利建立自下而上的3D纳米制造平台。我们将其视为纳米级的‘下一代3D打印’，但现在基于DNA自组装的强大功能使我们能够实现大规模并行制造。”Gang说道。

来源：伪行家说科学