DNA是比钢铁还坚固的“玻璃”材料

　　哥伦比亚大学、康涅狄格大学和美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的科学家们能够制造出一种纯玻璃，并在上面涂上专门的DNA片段，从而制造出一种不仅比钢更坚固，而且非常轻的材料。

　　

在纳米尺度上的工作使研究人员在制造和表征材料时有了更多的洞察力和控制力。在更大规模的制造中，以及在自然界中，许多材料都有缺陷和杂质的能力，这些缺陷和杂质会破坏它们复杂的结构。这就造成了一些在压力下很容易被打破的弱点。这在大多数玻璃中很常见，这就是为什么它被认为是一种如此精致的材料。

哥伦比亚大学、康涅狄格大学和美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的科学家们能够制造出一种纯玻璃，并在上面涂上专门的DNA片段，从而制造出一种不仅比钢更坚固，而且非常轻的材料。拥有这两种品质的材料并不常见，进一步的研究可能会导致新的工程和国防应用。研究结果发表在《Cell Reports Physical Science》上。

在生物体内，脱氧核糖核酸，通常被称为DNA，携带生物信息，指导生物体细胞如何形成、生长和繁殖。构成DNA的材料被称为聚合物，这是一种坚韧、有弹性的材料，包括塑料和橡胶。它们的弹性和简单性引起了材料科学家的兴趣，并激发了许多有趣的实验。Oleg Gang是布鲁克海文实验室美国能源部科学用户设施办公室功能纳米材料中心(CFN)的材料科学家，也是哥伦比亚大学的教授，多年来一直在利用DNA的独特性质合成材料，并取得了许多发现。这项新技术激发了一系列创新应用——从药物输送到电子产品。

Gang之前曾与该论文的第一作者，布鲁克海文博士后研究员Aaron Michelson合作过一个实验，利用DNA结构为新材料构建一个强大的框架。DNA分子的行为方式很有趣。单个核苷酸，核酸的基本单位，如DNA和RNA，决定了互补序列之间的键合。它们相互连接的精确方式使科学家们能够开发出将DNA折叠成特定形状的方法，这种方法被称为“折纸”，以日本的折纸艺术命名。这些DNA形状是纳米级的构建块，可以使用可寻址的DNA键进行编程以“自组装”。这意味着具有重复模式的明确结构可以自发地从这些折纸DNA块中形成。

然后，这些块粘合在一起，形成一个更大的晶格——一个具有重复图案的结构。这个过程允许科学家从DNA中构建三维有序的纳米材料，并整合无机纳米颗粒和蛋白质，正如该小组之前的研究所证明的那样。在理解和控制了这种独特的组装过程之后，Gang、Michelson和他们的团队就能够探索当使用生物分子脚手架创建保留支架结构的二氧化硅框架时可以实现什么。

“我们专注于使用DNA作为可编程纳米材料来形成复杂的3D支架，”Michelson说，“我们想探索这种支架在转移到更稳定的固态材料中时的机械性能。我们探索了用二氧化硅铸造这种自组装材料，二氧化硅是玻璃的主要成分，以及它的潜力。”

Michelson在这一领域的工作为他赢得了哥伦比亚大学的罗伯特·西蒙纪念奖。他对DNA框架的研究探索了从机械性能到超导性的一系列特征和应用。就像他所建立的结构一样，Michelson的工作随着从这些令人兴奋的实验中获得新的信息层而不断发展和建立。

制造过程的下一部分受到了生物矿化的启发——某些活组织产生矿物质的方式变得更硬，比如骨头。

Gang说:“我们非常有兴趣探索如何在纳米尺度上提高普通材料(如玻璃)的机械性能。”

科学家们使用了一层非常薄的二氧化硅玻璃，只有大约5纳米或几百个原子厚，覆盖在DNA框架上，使内部空间开放，并确保所得到的材料超轻。在这种小范围内，玻璃对缺陷或缺陷不敏感，提供了在较大的玻璃碎片中看不到的强度，在较大的玻璃碎片中会出现裂缝并导致其破碎。该团队想知道这种材料到底有多坚固，在这种规模下，需要一些非常专业的设备。

抗压强度

有一些简单的方法来检查东西是否坚固。戳、推、靠在物体表面，观察它们的行为通常可以提供有用的信息。它们在压力下是否会弯曲、吱吱作响、弯曲或牢固站立?这是一种简单但有效的方法来了解物体的强度，即使没有工具来精确测量它。然而，一个人如何按压一个太小而看不见的物体呢?

“为了测量这些微小结构的强度，我们采用了一种叫做纳米压痕的技术，”Michelson解释说。“纳米压痕是一种非常小尺度的机械测试，使用一种可以应用和测量阻力的精密仪器。我们的样品只有几微米厚，大约是千分之一毫米，所以用传统的方法是不可能测量这些材料的。利用电子显微镜和纳米压痕，我们可以同时测量机械行为和观察压缩过程。”

当这个微型装置压缩或压痕样品时，研究人员可以测量并观察其机械性能。然后，他们可以看到当压缩被释放，样品恢复到原始状态时，材料发生了什么变化。如果有任何裂缝形成，或者如果结构在任何一点失效，这些有价值的数据都可以被记录下来。

经过测试，玻璃涂层的DNA晶格的强度是钢的四倍!更有趣的是，它的密度要低五倍。虽然有材料是坚固的，被认为是相当轻的，它从来没有达到这种程度。

然而，这种技术在CFN并不总是很容易获得。

Gang说:“我们与康涅狄格大学的副教授Seok-Woo Lee合作，他在材料的机械性能方面具有专长。他是CFN的用户，利用了我们的一些能力和资源，比如电子显微镜，这就是我们与他建立关系的方式。我们最初没有纳米压痕的能力，但他引导我们找到了合适的工具，并使我们走上了正确的道路。这是来自学术界和国家实验室的科学家如何从合作中受益的另一个例子。我们现在有了这些工具和专业知识，可以进一步开展这样的研究。”

创造一些新的和令人兴奋的东西

虽然在扩大规模和考虑这种材料的无数应用之前还有很多工作要做，但材料科学家仍然有理由对这意味着什么感到兴奋。该团队计划研究其他材料，比如比玻璃更坚固的碳化物陶瓷，看看它们是如何工作和表现的。这可能会导致未来更坚固的轻质材料。

虽然Michelson的职业生涯还处于早期阶段，但他已经取得了很多成就，并且已经渴望开始下一阶段的研究。

Michelson回忆说:“在布鲁克海文实验室做博士后是一个很好的机会，尤其是在哥伦比亚大学毕业后，他经常在CFN工作。这就是促使我继续在那里做博士后的原因。我们在CFN拥有的能力，特别是在成像方面，确实有助于推动我的工作。”

High-strength, lightweight nano-architected silica