硅藻是微小的單細胞生物，棲息在海洋，湖泊，河流和土壤中。通過他們的呼吸，他們產(chǎn)生了近四分之一的氧氣，幾乎與世界上的熱帶森林一樣多。除了在全球范圍內(nèi)的生態(tài)成功外，它們還擁有許多卓越的特性。硅藻生活在他們自己設(shè)計的玻璃般的家中，在放大下以驚人和美學的各種形式可見。

自從18世紀晚期發(fā)現(xiàn)以來，研究人員就已經(jīng)從這些微觀的寶石般的自然產(chǎn)品中找到了靈感。在一項新的研究中，亞洲州立大學(ASU)的科學家郝艷教授與中國科學院上海應(yīng)用物理研究所和上海交通大學的研究人員楊春海教授共同設(shè)計了一系列科學家。硅藻狀納米結(jié)構(gòu)。

為了實現(xiàn)這一目標，他們借用了天然硅藻所使用的技術(shù)來沉積二氧化硅層 - 玻璃中的主要成分 - 以生長其復(fù)雜的殼。該組使用一種稱為DNA折紙的技術(shù)設(shè)計了各種形狀的納米級平臺，通過電荷吸收的二氧化硅顆粒可以粘附在其上。

新的研究表明，二氧化硅沉積可以有效地應(yīng)用于合成的，基于DNA的結(jié)構(gòu)，提高其彈性和耐久性。這項工作最終可能在新的光學系統(tǒng)，半導(dǎo)體納米光刻，納米電子，納米機器人和醫(yī)療應(yīng)用(包括藥物輸送)中具有深遠的應(yīng)用。

Yan是Milton D. Glick化學和生物化學杰出教授，負責生物設(shè)計分子設(shè)計和仿生學中心。該小組的研究結(jié)果在Nature雜志的高級在線報道。

Yan和Fan等研究人員使用DNA作為建筑材料，創(chuàng)建了二維和三維復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)。這種被稱為DNA折紙的方法依賴于DNA的四個核苷酸的堿基配對特性，其名稱縮寫為A，T，C和G.

當DNA互補鏈彼此鍵合時，形成DNA雙螺旋的階梯狀結(jié)構(gòu)--C核苷酸總是與Gs配對，As總是與Ts配對?？梢岳眠@種可預(yù)測的行為以產(chǎn)生幾乎無限種類的工程形狀，其可以預(yù)先設(shè)計。然后納米結(jié)構(gòu)在試管中自組裝。

在這項新研究中，研究人員希望了解用DNA設(shè)計的結(jié)構(gòu)，每個直徑只有十億分之一米，可以用作結(jié)構(gòu)框架，硅藻組成的硅藻外骨骼能夠以精確和可控的方式生長。他們的成功結(jié)果顯示了這種自然與納米工程的混合結(jié)合的力量，作者稱之為DNA Origami Silicification(DOS)。

“在這里，我們證明了可以開發(fā)出合適的化學方法來生產(chǎn)DNA-silica雜化材料，忠實地復(fù)制各種不同DNA折紙支架的復(fù)雜幾何信息。我??們的研究結(jié)果確立了創(chuàng)建仿生二氧化硅納米結(jié)構(gòu)的一般方法，”焉。

在實驗中設(shè)計和構(gòu)建的幾何DNA框架包括2D十字形，正方形，三角形和DOS-硅藻蜂窩形狀以及3D立方體，四面體，半球形，環(huán)形和橢球形，以單個單元或晶格形式出現(xiàn)。

一旦DNA框架完成，帶有正電荷的二氧化硅顆粒簇被靜電吸引到電負性DNA形狀的表面，在幾天的時間內(nèi)累積，如施加到蛋殼上的精細涂料。由所得的DOS形式制成一系列透射和掃描電子顯微照片，顯示出準確有效的硅藻樣硅化。

該方法證明對于尺寸為10-1000納米的框狀，彎曲和多孔納米結(jié)構(gòu)的硅化是有效的(最大結(jié)構(gòu)大致是細菌的大小)。僅通過調(diào)節(jié)生長持續(xù)時間就可以精確控制硅殼厚度。

混合DOS-硅藻納米結(jié)構(gòu)最初使用一對能夠揭示其微小形式的強大工具進行表征，透射電子顯微鏡(TEM)和原子力顯微鏡(AFM)。得到的圖像揭示了二氧化硅沉積后納米結(jié)構(gòu)更清晰的輪廓。

納米加工的方法是如此精確，研究人員能夠生產(chǎn)三角形，正方形和六邊形，其直徑小于10納米的均勻孔 - 迄今為止使用DNA折紙平版印刷術(shù)迄今為止所達到的最小。此外，新研究中概述的技術(shù)使研究人員能夠更準確地控制任意形式的3D納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，這些形式通常通過現(xiàn)有方法產(chǎn)生挑戰(zhàn)。

像Yan和Fan這樣的納米工程師非常感興趣的天然硅藻的一個特性是它們的硅殼的特定強度。比強度是指材料相對于其密度的抗破裂性?？茖W家們發(fā)現(xiàn)，硅藻的二氧化硅結(jié)構(gòu)不僅具有令人振奮的優(yōu)雅，而且非常堅韌。實際上，包裹硅藻的二氧化硅外骨骼具有任何生物材料的最高比強度，包括骨，鹿角和牙齒。

在目前的研究中，研究人員使用AFM來測量其二氧化硅增強DNA納米結(jié)構(gòu)的抗斷裂性。與它們的天然對應(yīng)物一樣，這些形狀顯示出更強的強度和彈性，與未經(jīng)加工的設(shè)計相比，它們可承受的力增加了10倍，同時保留了相當大的靈活性。

該研究還表明，DOS納米結(jié)構(gòu)的增強剛性隨著生長時間的增加而增加。正如作者所指出的，這些結(jié)果與自然界產(chǎn)生的生物礦物的特征性機械性能一致，將令人印象深刻的耐久性與靈活性相結(jié)合。

最后的實驗涉及使用金納米棒作為DOS制造裝置的支撐支柱設(shè)計新的3D四面體納米結(jié)構(gòu)。與缺乏變形和坍塌的硅化的類似結(jié)構(gòu)相比，這種新穎的結(jié)構(gòu)能夠忠實地保持其形狀。

該研究為納米技術(shù)的自然創(chuàng)新開辟了一條途徑，其中DNA結(jié)構(gòu)充當模板，可以涂覆二氧化硅或其他無機材料，包括磷酸鈣，碳酸鈣，氧化鐵或其他金屬氧化物，產(chǎn)生獨特的性質(zhì)。

“我們有興趣開發(fā)創(chuàng)建更高階混合納米結(jié)構(gòu)的方法。例如，可以通過逐步沉積不同材料來實現(xiàn)多層/多組分雜化材料，以進一步擴展仿生多樣性，”Fan說。

這些能力將為工程高度可編程的固態(tài)納米孔開辟新的機會，這些納米孔具有分層特征，具有設(shè)計結(jié)構(gòu)周期性的新型多孔材料，空腔和功能，等離子體和超材料。本文展示的生物啟發(fā)和仿生方法代表了無機器件納米加工的一般框架，該框架具有任意3D形狀和功能，并在納米電子，納米光子學和納米機器人等領(lǐng)域提供多種潛在應(yīng)用。