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复杂的统计力学方法和人类直觉已经证明了自组装复杂晶格或有限尺寸结构的可能性，然而迄今为止的尝试大多只能在计算机模拟领域取得成功，在实验中往往会失败，因为与动力学减速（凝胶化、玻璃化转变）和竞争有序结构相关的陷阱是无法预测的。理论预测还面临着难以用实验可用的纳米级和微米级粒子编码所需的粒子间相互作用势的难题。

2024年5月16日，美国亚利桑那州立大学分子科学学院Petr Šulc助理教授团队在Science期刊发表题为“Inverse design of a pyrochlore lattice of DNA origami through model-driven experiments”的研究论文，团队成员博士后刘昊为论文第一作者，Petr Šulc教授为论文通讯作者。

刘昊，亚利桑那州立大学博士后，合作导师：Petr Šulc教授；2018年本科毕业于南方科技大学化学系，期间于蒋伟教授研究组进行创新科研训练；2023年博士毕业于亚利桑那州立大学分子科学学院。

为了克服这些难题，研究人员将SAT组装（一种基于约束优化的补丁粒子交互设计算法）与DNA纳米技术的粗粒度模拟相结合，通过实验实现无陷阱的自组装途径。利用该方法组装了一个焦绿石三维晶格，它在光学超材料的构建中有着广阔前景，并通过小角度X射线散射和扫描电子显微镜可视化对其进行了表征。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl5549

研究人员利用理论、模拟和实验之间的协同作用来解决胶体组装问题。以补丁粒子为构件，引入了一种新的建模驱动设计流水线。补丁粒子是微纳米级的胶体，具有各向异性的表面化学性质来指导键合或具有各向异性的形状来指导组装。实验合成的胶体粒子能够形成可寻址的定向键进行自组装，可将其建模为补丁粒子进行计算研究。在这项研究中，“补丁粒子”专门作为线框架DNA折纸纳米结构的代表，其中的框架由位于可控位置的单链悬垂（粘性序列）构建而成，可控制不同斑块之间的相互作用。该方法将优化方法与多尺度模拟相结合，积极塑造了DNA折纸的设计，从而实现目标结构的自组装。

作为一个测试案例，重点研究了迄今为止尚未在实验中通过自组装成功实现的焦绿石（四叠）晶格。焦绿石晶格应具有全向光子带隙，这种带隙既宽又稳健，不受晶格缺陷的影响。然而，自上而下的制造方法，如光刻法，在制造与操纵可见光波长相关尺度的三维结构时面临实际限制，因为它们只允许连续迭代二维图案。自组装技术提供了一种很有前途的替代方案，它可以借助精心设计的构件，在亚微米尺度上提供精确的尺寸控制。然而，通过自组装实现焦绿石晶格尤其具有挑战性，因为存在各种具有相似键合模式但堆叠顺序不同的竞争结构，阻碍了迄今为止的实验实现。著名的尝试包括利用DNA刷功能化的四面体簇实现二元Laves结构，包括焦绿石和立方金刚石亚晶格，但无法分离出单独的亚晶格。该研究成功利用DNA折纸纳米结构实现了胶体焦绿石晶格。为了进一步证明该方法的多功能性，使用了两种不同的DNA折纸线框架纳米结构设计（分别为二十面体和八面体形状），并通过小角x射线散射（SAXS）和扫描电子显微镜（SEM）对二氧化硅涂层晶格进行了证实，结果表明它们都可以稳定地自组装成焦绿石超晶格。

图1. 利用SAT组装进行计算设计的工作流

图2. 利用oxDNA模拟组装晶格，将补丁粒子设计转化为DNA纳米结构的序列设计

图3. 探索为焦绿石晶格制作的DNA折纸构建块的自组装

图4. 嵌入二氧化硅的焦绿石晶格的SEM表征

总之，该研究开发了一种利用多尺度建模和优化算法设计DNA纳米结构的方法，这种DNA纳米结构可自组装成焦绿石晶格。该计算工具还可用于设计和指导其他类型晶格的实验实现。所提出的流水线并不局限于长程结构，它同样可以用于实现有限尺寸的组装和共沸混合物。该方法还可用于设计初始种子子结构，以提高产量和最终的种子成核尺寸和晶格的生长，以及设计其他受欢迎的晶格几何形状，如笼形物。

该程序的通用性源于设计流水线不依赖于构件的具体形状。局部环境的几何信息只通过接触矩阵加以考虑。随后使用核苷酸级粗粒度模型来验证特定DNA纳米结构的实现是否与所设计的补丁粒子自组装系统相兼容，因此可以在构建块的设计和尺寸中选择许多不同的内部特征。该研究方法使得能够以大量成功的DNA纳米结构设计文献为基础，同时能够选择提供晶格参数控制的尺寸，从而控制最终晶格的带隙和其他特性。单元格的复杂性也不是设计过程中的限制因素，因为该方法能够处理许多不同的构件种类。此外，设计和模拟工具作为免费开源软件提供。

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