纳米工程师利用DNA(编码生命的分子)从纳米颗粒中创造了一种准晶体——一种科学上有趣且技术上有前景的材料结构。
该团队由西北大学、密歇根大学和西班牙圣塞巴斯蒂安生物材料合作研究中心的研究人员领导，在《自然材料》杂志上报告了这一结果。
与由重复结构定义的普通晶体不同，准晶体中的图案不重复。由原子构成的准晶体可以具有特殊的特性，例如，以不同的方式吸收热量和光，表现出不寻常的电子特性，例如无电阻导电，或者它们的表面非常坚硬或非常光滑。
研究纳米级组装的工程师通常将纳米粒子视为一种“设计原子”，它为合成材料提供了新的控制水平。挑战之一是引导粒子组装成具有有用品质的所需结构，在构建第一个DNA组装准晶体的过程中，该团队进入了纳米材料设计的新领域。
西北大学乔治·B·拉斯曼化学教授、该研究的共同通讯作者查德·米尔金(ChadMirkin)说：“几十年来，准晶体的存在一直是一个谜，他们的发现理所当然地被授予了诺贝尔奖。”
“虽然现在有几个已知的例子，无论是在自然界中还是通过偶然的途径发现的，我们的研究揭开了它们形成的神秘面纱，更重要的是展示了我们如何利用DNA的可编程特性来故意设计和组装准晶体。”
Mirkin的团队以使用DNA作为设计师胶水来设计由纳米粒子制成的胶体晶体的形成而闻名，西班牙生物材料合作研究中心的Ikerbasque教授LuisLiz-Marzán的团队可以生产可能形成的纳米粒子在适当的条件下形成准晶体。
该团队专注于双锥体形状——基本上是两个金字塔在底部粘在一起。Liz-Marzán的团队尝试了不同数量的边以及挤压和拉伸形状。西北大学化学系博士生周文杰和林海欣在进行这项工作时，利用编码的DNA链来相互识别，对粒子进行编程，使其组装成准晶体。
密歇根大学化学工程系主任AnthonyC.Lembke主席SharonGlotzer的团队一直在独立模拟具有不同边数的双锥体。密歇根大学化学工程博士生YeinLim和SangminLee发现，十面体(十面五角双锥体)在特定条件下会形成具有正确相对尺寸的准晶体。
模拟显示左侧的十面体堆积成准晶体结构，右侧的结构图。图片来源：密歇根大学Glotzer小组。
2009年，Glotzer的团队预测了第一个层状纳米颗粒准晶体，不是来自双金字塔，而是来自四面体——具有四个三角形边的单金字塔，就像D4芯片一样。因为五个四面体几乎可以形成一种十面体，所以她说十面体是制造准晶体的明智选择。
“在我们最初的准晶体模拟中，四面体排列成十面体，四面体之间的间隙非常小。在这里，这些间隙将由DNA填充，因此十面体也可能形成准晶体是有道理的，”共同通讯作者Glotzer说。研究的。
三个研究小组通过理论与实验相结合，将十面体粒子制成了准晶，并通过电子显微镜证实了这一点成像和阿贡国家实验室的X射线散射证实了这一点。
“通过胶体准晶体的成功工程，我们实现了一个重要的里程碑该研究的共同通讯作者Liz-Marzán表示：“通过胶体准晶体的成功工程，我们在纳米科学领域“我们的工作不仅揭示了复杂纳米级结构的设计和创造，而且还为先进材料和创新纳米技术应用打开了一个充满可能性的世界。”
该结构类似于同心圆中的玫瑰花结阵列，10边形状在周期性堆叠的2D层中形成12重对称。这种堆叠结构也见于由四面体制成的准晶体，称为轴向准晶体。但与大多数轴向准晶体不同的是，新准晶体层的平铺图案从一层到下一层的重复并不相同。相反，很大一部分瓷砖是不同的，以随机的方式——而这种少量的无序增加了稳定性。