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Nature子刊背靠背,诺奖“分子机器”引潮流:分子驱动器改变薄膜形状

在过去的25年里,研究人员已经设计并制造出了大量可以像乐高积木一样在纳米尺度上完成组装的分子机器,包括分子开关、分子马达、分子连杆、分子环和分子推进器等,他们希望通过化学手段去模拟活细胞中可以如机器一般发挥作用的生物分子,比如沿着细胞内微观结构移动的驱动蛋白等。2016年诺贝尔化学奖也授予分子机器领域的三位大佬(点击阅读详细)。在经历迅猛发展后,现在科学家们更关心的是怎么使用它们,而不是再造出一种新的马达。在宏观层面上,如果数以亿计的分子机器共同协作,那就有希望实现改变材料的某些宏观性质。难点在于如何让这些分子机器易于操控,以保证它们可以在不间断的情况下完成无数次运转。


近期,纳米技术顶级期刊Nature Nanotechnology背靠背发表了两篇与分子机器相关的研究论文,其中第二篇由宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的Daeyeon Lee教授、So-Jung Park教授和John Crocker教授合作完成,研究团队以DNA修饰的金纳米粒子作为基本构筑单元,通过层层沉积技术形成分子驱动器,并将其包埋于薄膜中,利用外加DNA的刺激,成功地驱动了薄膜形状发生可逆的变化。(Shape changing thin films powered by DNA hybridization. Nat. Nanotech., 2016, DOI: 10.1038/NNANO.2016.192)。

Daeyeon Lee教授(左)、So-Jung Park教授(中)和John Crocker教授(右)。图片来源:University of Pennsylvania


研究人员将四条不同序列的寡核苷酸修饰在四个相同的直径为12 nm的金纳米粒子表面,形成四个不同的构建单元(DNA-GNP),再通过浸染的方法将此构建单元层层沉积在膜的表面。

通过浸染的方法制备包含分子驱动器的膜。图片来源:Nat. Nanotech.


为了使膜具有相同的结构,研究人员采用聚二甲基硅氧烷作为垫片,覆盖在基底上,做成微型模具,再将DNA-GNP沉积于模具上,最后除去垫片,从而得到统一的长方形的薄膜。

借助微型模具制备具有统一形貌的可驱动薄膜。图片来源:Nat. Nanotech.


研究人员所设计的分子驱动器是基于DNA链置换的原理,即填充链(Filler strand)可以增加相邻两个DNA-GNP的距离,从而使薄膜伸展;而剥夺链(Stripper strand)可以通过互补杂交的方式将填充链剔除,减少了相邻两个NA-GNP的距离,从而使薄膜收缩。研究人员通过加入相应的DNA链,成功地驱动了薄膜在片状与管状之间发生可逆的变化。

分子驱动器的原理示意图。图片来源:Nat. Nanotech.


接着,研究人员通过在膜上沉积两层不同的DNA-GNP,以此实现驱动器多自由度(multiple degrees of freedom)的功能。当驱动上层收缩时,整个薄膜将会发生连续性的卷曲;而当驱动下层收缩时,薄膜则会沿着外围开始卷曲。

驱动薄膜发生收缩的两种方式。图片来源:Nat. Nanotech.


最后,为了进一步证明驱动器的可操作性,研究人员还尝试了同时驱动上下两层。利用同时驱动两层的方法,他们成功实现了薄膜从片状到另一种片状、从管状到另一种管状之间的变化。

双重驱动薄膜发生形变。图片来源:Nat. Nanotech.


基于此法的通用性,研究人员期望将此进一步扩展到其他各种有机、无机胶体材料;此外,他们还期望利用此法驱动其他机械性能的变化,从而拓宽分子驱动器的应用范围。


http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2016.192.html


(本文由供稿)


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