新型多孔金属纳米粒子将在吸收化学传感和分离方面产生新的能力

西北大学的研究人员在生产由空心金属纳米粒子制成的奇特开放框架超晶格的方式上取得了重大进展。使用称为金属纳米框架的微小中空颗粒并用适当的DNA序列对其进行修饰，该团队发现他们可以合成具有10到1,000纳米大小的孔的开放通道超晶格——迄今为止，这些孔很难获得。这种新发现的对孔隙率的控制将使研究人员能够在分子吸收和存储、分离、化学传感、催化和许多光学应用中使用这些胶体晶体。

这项新研究确定了12种独特的多孔纳米粒子超晶格，可控制对称性、几何形状和孔连通性，以突出新设计规则的普遍性，作为制造新型材料的途径。

该论文于今天(10月26日)发表在《自然》杂志上。

ChadA.Mirkin是西北大学温伯格文理学院的GeorgeB.Rathmann化学教授兼国际纳米技术研究所所长，他表示，新发现将对纳米技术及其他领域产生广泛影响。

“我们不得不重新思考我们对DNA与胶体颗粒结合的了解，”领导这项研究的Mirkin说。“对于这些新型空心纳米晶体，现有的晶体工程规则是不够的。由‘边缘键合’驱动的纳米粒子组装使我们能够获得通过传统‘面键合’无法获得的广泛晶体结构，”我们以传统方式认为该领域的结构形成。从科学和技术的角度来看，这些新结构带来了新的机遇。”

作为纳米化学领域的领军人物，Mirkin还是麦考密克工程学院的化学与生物工程、生物医学工程和材料科学与工程教授，以及西北大学范伯格医学院的医学教授。

二十多年来，Mirkin的团队一直在利用DNA的可编程性来合成具有不同寻常和有用特性的晶体。扩大概念以包括中空粒子是朝着更普遍的方法理解和控制胶体晶体形成迈出的步。

大自然使用胶体晶体来控制生物体的颜色，包括蝴蝶翅膀和变色龙皮肤的多变颜色。Mirkin实验室生成的结构——尤其是多孔结构，分子、材料甚至光都可以穿过这些结构——将挑战科学家和工程师用它们制造新设备。

麦考密克的亚伯拉罕哈里斯材料科学与工程教授和该论文的作者VinayakDravid补充说，许多工业化学过程依赖于沸石，这是另一类合成多孔材料。

“沸石有很多限制，因为它们是由限制选择的物理规则制成的，”德拉维德说。“但是当DNA被用作键时，它允许结构更加多样化，孔径也更加多样化，因此具有多样化的特性。”

控制孔径和孔之间连接的能力开辟了一系列潜在用途。例如，作者表明多孔超晶格表现出一种有趣的光学行为，称为负折射率，在自然界中没有发现，只有工程材料才能获得。

“在这项工作中，我们发现了开放通道超晶格如何成为允许负折射率的新型光学超材料，”该论文的作者，麦考密克电气和计算机工程副教授KorayAydin说.“这种超材料可以实现令人兴奋的应用，例如隐形和超透镜，用显微镜对超小物体进行成像。”

研究人员正在继续合作以推动这项工作。

“我们需要将这些新的设计规则应用于由其他金属(如铝)制成的纳米多孔金属结构，我们需要扩大工艺规模，”Mirkin说。“这些实际考虑在高性能光学设备的背景下非常重要。这样的进步可能是真正的变革。”