包括美國布魯克海文國家實驗室科學家在內的研究團隊在納米材料制造領域取得重要突破：他們基于DNA自組裝技術，構建出復雜的3D納米結構。最新一期《自然·材料》雜志發表兩篇論文詳細介紹這一納米尺度上的“下一代3D打印”。該成果對于多個前沿應用至關重要，包括光子學、神經形態計算、催化材料、生物分子支架和反應器等。
這項技術的核心是DNA分子。團隊利用DNA的堿基配對特性，設計出可自我識別并組裝成特定形狀的納米級“體素”，即三維像素單位。這些體素可像拼圖一樣組合在一起，形成高度復雜且具有功能性的納米結構。這種“自下而上”的構建方式，與傳統的“自上而下”光刻工藝截然不同，不僅效率更高，而且更適用于納米級別的精細制造。
團隊展示了該方法的廣泛適用性。例如兩個月前，他們為明尼蘇達大學提供了一個嵌入微芯片的3D光傳感器原型。該裝置通過在芯片上培育DNA支架，并涂覆感光材料制成，展現了其在光電領域的潛力。
此外，團隊還提出了一種逆向設計策略，可從目標結構出發，反推出所需的DNA構建塊及其序列。這種方法被稱為MOSES(結構編碼自組裝)，類似于納米級的計算機輔助設計軟件，可幫助用戶確定使用哪些DNA體素來構建特定的三維晶格結構。
團隊為此進行了大量計算模擬和實驗測試。他們將金納米顆粒等材料整合進DNA支架中，賦予最終結構獨特的光學性能，并增強了其穩定性，使其在高溫環境下仍能保持結構完整。
團隊正進一步探索如何利用這一平臺構建更復雜的三維電路，甚至模擬人腦的神經連接結構，進而穩步推進一個“自下而上”的3D納米制造平臺。
這項技術的最大亮點，是能在跨學科多領域展現巨大潛力。如在生物醫藥方面，它能用于精準藥物遞送系統的開發，同時其生物相容性也為體內植入式器件提供了安全基礎;在綠色能源方面，這種精確控制材料排列的方式，可用于設計高效催化劑結構，提升燃料電池或二氧化碳轉化裝置的效率;此外，借助其可編程特性，還可開發智能響應型材料，使其在不同環境刺激下改變結構或功能，應用于柔性電子、自修復涂層等領域。長遠來看，這項技術或將催生“物質編程”這一新范式——就像我們編寫軟件一樣，未來科學家可以直接“編寫”物質的組成與結構，實現從數字設計到物理存在的無縫銜接。
責任編輯：陸迪
