中科院外籍院士，納米牛人Chad A. Mirkin，最新Nature！

一、【導讀】

可重構的、有機械響應的晶體材料是許多傳感、軟體機器人、能量轉換和存儲設備的核心部件。晶體材料在各種刺激下很容易形變，可恢復的形變程度在很大程度上取決于鍵的類型。事實上，對于通過簡單的靜電相互作用固定在一起的結構，可以容忍最小的形變。相比之下，通過化學鍵固定在一起的結構，原則上可以承受更大的形變，并且更容易恢復其原始結構。

二、【成果掠影】

近日，中科院外籍院士、美國西北大學終身教授Chad A. Mirkin團隊研究了DNA工程化的多面膠體晶體的形變特性。為了合成具有較大形變和恢復性能的晶體，研究人員設計并使用徑向排列的DNA配體進行功能化的5或10 nm金納米粒子（AuNP）合成的PAEs（單鏈DNA短序列修飾的粒子）制備了低密度體心立方（bcc）晶體結構?。較大的晶體尺寸（大于100?μm）和高粘彈性體積分數（> 97%）允許它們可以被壓縮成不規則的形狀，帶有褶皺和折痕。對于大多數晶體來說，這種壓縮和形變會導致永久的、不可逆轉的損傷。而這種晶體中的靈活和刺激響應的DNA鍵能夠對化學和機械刺激產生類似聚合物的各向異性但可逆的自適應響應。因此這些形變晶體再水化后，在幾秒鐘內就呈現出其初始形成良好的晶體形態和內部納米級秩序。該論文以題為“Shape memory in self-adapting colloidal crystals”發表在知名期刊Nature上。

三、【核心創新點】

1、制備的晶體具有尺寸大（大于100?μm）、高粘彈性體積分數（> 97%）和體心立方結構。

2、晶體中的靈活和刺激響應的DNA鍵能夠對化學和機械刺激產生類似聚合物的各向異性但可逆的自適應響應。因此這些形變晶體再水化后，在幾秒鐘內就呈現出其初始形成良好的晶體形態和內部納米級秩序。

四、【數據概覽】

圖一、DNA工程膠體晶體的設計及形變和恢復行為 ? 2022 Springer Nature

（a）A型PAE結構示意圖。

（b）A和B型PAE通過DNA雜交相互作用，組裝成非緊密排列的bcc型構型。

（c-d）由5和10 nm PAE組裝的晶體的光學顯微鏡圖像?。

（e）由5 nm PAEs組成的脫水晶體的亮場和暗場光學顯微鏡圖像。

圖二、晶體形變和恢復性能的表征 ? 2022 Springer Nature

（a）不同晶體的堅固性-凸度圖。

（b）晶體的平均曲率。

（c）納米壓痕測試。

（d-e）三種不同核心尺寸和相同鏈角變形（θ_{0_d}?=?175°）的模型晶體的變形以及伴隨的體積變化。

（f-g）三種不同核心尺寸和相同鏈角變形（θ_{0_d}?=?175°, 120°和90°；r_core?=?20, 10和5?nm）的模型晶體的變形以及伴隨的體積變化。

圖三、單晶X射線衍射表征 ? 2022 Springer Nature

（a）5 nm PAE組裝晶體的脫水-再水化循環期間的SXRD模式。

（b）脫水晶體旋轉3°時的（110）反射剖面圖。

（c）從5 nm PAE組裝的脫水晶體中收集的衍射圖像在（110）反射中顯示出細條紋。

（d-e）（111）變形前后N=7562 PAEs的bcc模型晶體的橫截面。

圖四、晶體光學性質的測量與模擬 ? 2022 Springer Nature

（a）原位測量晶體的明場光學顯微鏡圖像。

（b）由5 nm PAEs組成的完整的和再水化晶體的吸收光譜。

（c）形變晶體的反射明顯增加。

（d-f）單晶體的模擬電場圖、有效指數和吸收光譜，僅考慮了壓縮。

五、【成果啟示】

研究表明，制備用大分子鍵結合在一起的晶體是創造形狀記憶材料的一種可行策略，這種材料可以經過精心設計，表現出廣泛的可逆結構和性能變化，而這些變化是其他類型鍵合在一起的傳統晶體結構所無法實現的。本文所述的合成方法和晶體特性，當與新出現的定制晶體穩定性和DNA鍵靈活性的方法相結合時，可能會導致膠體晶體的新刺激響應特性，這可能會極大促進化學傳感、光學和軟體機器人等領域發展。

文獻鏈接：Shape memory in self-adapting colloidal crystals ( Naure 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-05232-9)