纳米级"机械别扭"玩明白，弹性存储+纳米计算

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一、研究背景与理论基础

机械超材料通过巧妙排列机械耦合的单元结构，能实现非线性应力响应、形状变形等独特性能。而机械挫折作为一种独特设计策略，其行为与磁挫折类似。在磁挫折中，电子自旋因晶格排列的几何约束无法协同相互作用，导致高基态简并的磁状态。类比到机械领域，当超材料相邻单元的变形无法协同作用时，就会出现应变局部化的不可适应状态。此前，机械挫折超材料的研究主要局限于介观到宏观尺度，而在纳米尺度实现机械挫折一直是个挑战，主要受制于精确组装和结构精度问题。

DNA 折纸技术为解决这一难题提供了可能。它是一种基于序列互补性的自下而上构建任意纳米结构的方法，具有出色的可编程性和结构可预测性。利用该技术，科学家已成功构建了从二维网络到三维多面体、从可重构开关到纳米机器等多种 DNA 结构。

二、设计与模拟部分

研究团队从自旋受挫系统中的 Kagome 晶格获得灵感，设计了一种六单元六边形晶格作为工程化机械挫折 DNA 超结构的模型系统。该 DNA 晶格由蜂窝状图案的双螺旋束（2HB）边缘组成，每条边缘设计长度约为 28nm。为了在单个晶格中同时展示挫折和非挫折状态，他们嵌入了额外的可调节支柱，这些支柱在实验中充当致动器。

通过粗粒度分子动力学（MD）模拟，研究人员深入研究了 DNA 超结构在可适应和不可适应状态下的平衡构象。伞形采样计算结果显示，可适应模式的自由能呈现出陡峭的单一最小值，表明应变均匀分布；而不可适应状态则显示出两个不同的最小值，暗示存在屈曲和完全伸展两种稳定状态。与宏观结构不同，DNA 超结构的随机热涨落增加了多稳定性的可能性，使得纳米级挫折超结构比其宏观对应物具有更多的稳定状态。

三、实验验证部分

在实验验证阶段，研究团队使用可变形的 DNA 折纸线框展示了晶格设计。他们从合成的初始未定义状态开始，通过添加两组不同的 staple 链，分别组装出可适应和不可适应模式。原子力显微镜（AFM）扫描显示，可适应 DNA 的边缘大多是直的，而不可适应 DNA 在某些边缘表现出明显的屈曲。

为了研究 DNA 超结构在外加载荷下的变形行为，研究人员利用可调节的 DNA “千斤顶” 机制进行化学加载。这种机制通过两步 DNA 反应调节长度，可使整个结构可逆地变形为不同模式。实验结果与 MD 模拟预测高度一致，例如不可适应状态下屈曲边缘的端到端距离约为 18nm，与自由能计算结果相符。此外，研究人员还利用紫外光照射触发含光响应部分的千斤顶 staple 断裂，使结构可逆地转变为未定义状态。

四、计算力学分析

借助粗粒度 MD 模型，研究团队深入研究了变形过程中的结构和机械行为。模拟结果显示，可适应模式的应变分布几乎均匀，而不可适应模式的多个边缘表现出显著更大的应变和弯曲。去除载荷后，两种结构均自发恢复到初始构型，这与实验观察结果一致。

通过分析变形过程中每个边缘的归一化弯曲挠度，研究人员发现可适应模式下所有边缘的弯曲挠度都在有限范围内，没有边缘过度弯曲；而不可适应模式下，许多边缘处于弯曲极值，其中一个边缘在模拟后半段经历了严重的屈曲。对内部力的分析进一步表明，可适应模式的力分布更广泛，而不可适应状态的力则集中在单个边缘，证实了应变的局部化。

五、设计空间拓展

研究团队通过三种策略拓展了设计空间：改变机械输入位置、减少输入数量以及通过引入缺陷降低机械刚度。例如，改变千斤顶位置可将应变重新路由到不同边缘，实现 “应变重路由不可适应状态”。而移除一个输入则会使结构恢复到可适应状态，其自由能从双最小值变为单一最小值。

通过引入 5-nt 缺口缺陷来降低边缘刚度，研究人员成功调整了自由能曲线。在可适应设计中，缺陷的引入对构象和行为影响不大；但在不可适应模式下，能量最小值向屈曲方向移动，MD 和 AFM 结构均显示出与原始不可适应模式类似的屈曲。这些策略为设计具有多样化响应的纳米级超结构提供了灵活的方法。

六、讨论与应用前景

这项研究展示了 DNA 自组装技术与机械设计原理的强大协同作用，为开发纳米级挫折超材料开辟了新途径。DNA 折纸的固有模块化使得在单个晶格中设计可适应性和不可适应性成为可能，这是纯自上而下方法难以实现的。MD 模拟和自由能曲线在探索广阔的设计空间中起着关键作用，弥补了实验单独探索的不足。

从应用角度看，这种将外部载荷应变路由的能力可用于开发在纳米结构内存储机械能的方法，有望启发合成马达的设计。此外，该研究为纳米级机械计算和模拟生物分子功能（如变构）提供了新思路。尽管当前研究侧重于二维变形，但它为三维超结构的设计奠定了基础，有望在未来拓展到更大的长度尺度。

七、结论与总结

综上所述，这项研究成功利用 DNA 折纸技术在纳米尺度实现了机械挫折，通过选择性驱动可重构支柱，使结构在挫折和非挫折状态之间转换，每种状态都具有独特的自由能分布。分子动力学模拟很好地解释了这种对比行为，并为基础力学提供了见解。通过结构修改调整响应的设计空间探索，展示了该方法的多功能性。

这项工作将可编程 DNA 自组装与机械设计原理相结合，克服了宏观尺度上的工程限制，为设计具有潜在应用前景的动态、可变形纳米结构铺平了道路，这些应用包括弹性能量存储、纳米机械计算以及 DNA 基纳米机器中的变构机制等。

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参考文献：

Madhvacharyula, A.S., et al. Realizing mechanical frustration at the nanoscale using DNA origami. Nat Commun 16, 5164 (2025).