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比翱观察丨物理学家发现DNA分子如何自组装：利用自然法则创造“智能材料”
具有特定特性的可编程材料开发成为可能。用于尚未实现的科学壮举的奇异超材料的最佳制造工艺上岸。
一个物理学家团队发现了DNA分子如何根据组装指令自组织成颗粒之间的粘性贴片。其研究结果为一种创新方法提供了“概念证明”，以生产颗粒之间具有明确定义的连接的材料。这项工作报告发表在美国国家科学院院刊上。
“我们表明，人们可以对粒子进行编程，使其具有定制的特性，形成定制的结构。”纽约大学物理系教授兼研究人员之一Jasna Brujic解释说。“虽然起重机、钻头和锤子在建造建筑物时必须由人类控制，但这项工作揭示了人们如何利用物理学来制造‘知道’如何自行组装的智能材料。”
长期以来，科学家一直在寻找分子自组装的方法，并在许多方面取得了突破。然而，这些微小颗粒通过预先编程的键数自组装的方法还不太成熟。
视频显示，一个蓝色粒子最初与三个红色粒子结合，在室温下满足其价态。加热后，这些键被破坏，但冷却后，粒子再次找到三个红色的伙伴，表明粒子“选择”了它所形成的键的数量。他们的结果表明，粒子之间的DNA键是可逆的，并在粒子表面重新排列以优化价态。
为了解决这个问题，Brujic和她的同事，Angus McMullen，纽约大学物理系博士后研究员，伊利诺伊大学机械科学与工程教授Sascha Hilgenfeldt，进行了一系列实验，以捕捉并操纵DNA分子在粒子表面的行为。
它们在微米级运行，粒子大小为尘埃的1/25，将微小的水滴浸入液体溶液中。附着在这些液滴上的是“DNA连接体”— — 分子工具具有“粘性末端”，允许混合和匹配以形成研究人员所需的一系列结构。
Brujic观察到：“这一过程的美妙之处在于，我们可以对特定材料的特性进行编程，使其具有弹性或脆性，甚至在断裂后具有自愈能力，因为键可以可逆地形成和断裂。”。“创造者可以决定加入五种粒子，它们只粘在一个粒子上，10种粘在两个粒子上，20种粘在三个粒子上，或者任何其他组合。这将允许你构建具有特定拓扑或结构的材料。”
参考文献：“DNA self-organization controls valence in programmable colloiddesign”，2021年11月2日，美国国家科学院院刊。
DOI: 10.1073/pnas.2112604118
这项工作得到了国家科学基金会（NSF DMR-14200，NSF PHY17-48 958，NSF DMR-1710163）的材料研究科学与工程中心（MRSEC）项目的支持。
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