中科院外籍院士，纳米牛人Chad A. Mirkin，最新Nature！

一、【导读】

可重构的、有机械响应的晶体材料是许多传感、软体机器人、能量转换和存储设备的核心部件。晶体材料在各种刺激下很容易形变，可恢复的形变程度在很大程度上取决于键的类型。事实上，对于通过简单的静电相互作用固定在一起的结构，可以容忍最小的形变。相比之下，通过化学键固定在一起的结构，原则上可以承受更大的形变，并且更容易恢复其原始结构。

二、【成果掠影】

近日，中科院外籍院士、美国西北大学终身教授Chad A. Mirkin团队研究了DNA工程化的多面胶体晶体的形变特性。为了合成具有较大形变和恢复性能的晶体，研究人员设计并使用径向排列的DNA配体进行功能化的5或10 nm金纳米粒子（AuNP）合成的PAEs（单链DNA短序列修饰的粒子）制备了低密度体心立方（bcc）晶体结构 。较大的晶体尺寸（大于100 µm）和高粘弹性体积分数（> 97%）允许它们可以被压缩成不规则的形状，带有褶皱和折痕。对于大多数晶体来说，这种压缩和形变会导致永久的、不可逆转的损伤。而这种晶体中的灵活和刺激响应的DNA键能够对化学和机械刺激产生类似聚合物的各向异性但可逆的自适应响应。因此这些形变晶体再水化后，在几秒钟内就呈现出其初始形成良好的晶体形态和内部纳米级秩序。该论文以题为“Shape memory in self-adapting colloidal crystals”发表在知名期刊Nature上。

三、【核心创新点】

1、制备的晶体具有尺寸大（大于100 µm）、高粘弹性体积分数（> 97%）和体心立方结构。

2、晶体中的灵活和刺激响应的DNA键能够对化学和机械刺激产生类似聚合物的各向异性但可逆的自适应响应。因此这些形变晶体再水化后，在几秒钟内就呈现出其初始形成良好的晶体形态和内部纳米级秩序。

四、【数据概览】

图一、DNA工程胶体晶体的设计及形变和恢复行为© 2022 Springer Nature

（a）A型PAE结构示意图。

（b）A和B型PAE通过DNA杂交相互作用，组装成非紧密排列的bcc型构型。

（c-d）由5和10 nm PAE组装的晶体的光学显微镜图像 。

（e）由5 nm PAEs组成的脱水晶体的亮场和暗场光学显微镜图像。

图二、晶体形变和恢复性能的表征© 2022 Springer Nature

（a）不同晶体的坚固性-凸度图。

（b）晶体的平均曲率。

（c）纳米压痕测试。

（d-e）三种不同核心尺寸和相同链角变形（θ_{0_d} = 175°）的模型晶体的变形以及伴随的体积变化。

（f-g）三种不同核心尺寸和相同链角变形（θ_{0_d} = 175°, 120°和90°；r_core = 20, 10和5 nm）的模型晶体的变形以及伴随的体积变化。

图三、单晶X射线衍射表征© 2022 Springer Nature

（a）5 nm PAE组装晶体的脱水-再水化循环期间的SXRD模式。

（b）脱水晶体旋转3°时的（110）反射剖面图。

（c）从5 nm PAE组装的脱水晶体中收集的衍射图像在（110）反射中显示出细条纹。

（d-e）（111）变形前后N=7562 PAEs的bcc模型晶体的横截面。

图四、晶体光学性质的测量与模拟© 2022 Springer Nature

（a）原位测量晶体的明场光学显微镜图像。

（b）由5 nm PAEs组成的完整的和再水化晶体的吸收光谱。

（c）形变晶体的反射明显增加。

（d-f）单晶体的模拟电场图、有效指数和吸收光谱，仅考虑了压缩。

五、【成果启示】

研究表明，制备用大分子键结合在一起的晶体是创造形状记忆材料的一种可行策略，这种材料可以经过精心设计，表现出广泛的可逆结构和性能变化，而这些变化是其他类型键合在一起的传统晶体结构所无法实现的。本文所述的合成方法和晶体特性，当与新出现的定制晶体稳定性和DNA键灵活性的方法相结合时，可能会导致胶体晶体的新刺激响应特性，这可能会极大促进化学传感、光学和软体机器人等领域发展。

文献链接：Shape memory in self-adapting colloidal crystals(Naure2022, DOI: 10.1038/s41586-022-05232-9)