《Nature Commun》：基于DNA树枝状纳米结构的自组装簇晶

簇晶是一种周期性结构，其晶格位置由几个重叠的构件占据，具有波动性的位置占据，其期望值取决于热力学条件。从原子或介观单元组装它们是很受欢迎的，但它的实验实现仍然是难以捉摸的。

在此，来自德国尤利希研究中兴的Emmanuel Stiakakis& 奥地利维也纳大学的Christos N. Likos等研究者展示了，控制良好的软物质团簇晶体的稳定存在。相关论文以题为“Self assembling cluster crystals from DNA based dendritic nanostructures”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27412-3

晶体是物质的有序态，其中大小从亚纳米到微米的粒子排列在周期性晶格中。结晶固体是刚性概念的缩影，与液体所体现的流动性正好相反。因此，结晶度与(超)流动性相结合的混杂异域相，吸引了经典软物质物理领域和量子领域的研究人员。在通常的晶体中，晶格常数a和粒子浓度c服从比例a∝c−1/3，这是由(常规的)单元格由由晶格几何决定的固定数量的粒子填充的条件决定的。簇晶是一种较新的概念，它是一种非常规的物质状态，其晶格位由完全或部分重叠的粒子簇占据，而不是单个粒子簇。在这些状态下，簇内重叠粒子的数量，晶格位占用Nocc，是一个波动量，其期望值随浓度的变化而变化为Nocc∝c，从而得到一个与浓度无关的晶格常数，后者是簇状晶体和簇状准晶体的显著结构特征。

人类在一个简单的可穿透球体模型中首次发现了簇状晶体，并通过傅里叶变换带有负部分的软有界势，在经典粒子相互作用的任何系统中稳定下来。这种相互作用可以是纯粹的排斥，从而导致在没有吸引力的情况下聚类的反直觉结果。这是一种物理机制，不同于导致胶态系统中星团形成的机制，该机制具有发散的相互作用，结合了强的、短程的吸引和弱的、长距离的排斥。从那时起，聚类标准也被推广到具有硬核的相互作用，并且在核软化磁性胶体的准二维系统中实验观察到聚类现象，而类似的现象也在细胞菌落的模拟中观察到。在基于有效势的计算机模拟模型中，以及在完整的、单体解析的模拟中，为实现软物质中的聚类构建块提出了具体的建议 。

软物质团簇晶体与量子状态下物质的超固态，有惊人的相似之处。原子物理学的科学突破，使得通过利用空腔中物质-光的集体相互作用或利用激光将里德堡态弱耦合到基态，来创造人工原子间的相互作用势成为可能。理论研究表明，由此产生的核软化，排斥相互作用稳定团簇和超固相，与软物质团簇晶体有显著的相似之处。在过去的几年里，有越来越多的实验证据证明(亚稳)量子团簇或超固体的存在，但迄今为止，软物质团簇晶体的实验实现还没有报道过。

在此，研究者表明基于理论的、适当设计的DNA树枝状三嵌段是合适的软物质构建块，可以毫无疑问地形成稳定的簇状晶体，其性质符合先前的理论预测。研究者制备了由热敏水溶性聚合物和第一代和第二代纳米级全DNA树突组成的树枝-线状-树枝状三嵌段。确凿的小角度X射线散射(SAXS)证据表明，通过改变温度，在足够高的浓度下，这些三嵌段的解经历了从团簇流体到具有密度无关晶格间距的体心立方(BCC)团簇晶体的可逆相变。此外，富浓度-温度相图显示了各种有序纳米结构的出现，包括BCC团簇晶体，双折射团簇晶体，以及六角相和团簇玻璃在高密度下的动力学捕获态。

图1 栓系全DNA树突的示意图和特征。

图2 G1-P-G1和G1-P的稀溶液性质。

图3 不同浓度下形成簇状粒子的模拟快照和示意图。

图4 G1-P-G1的自组装。

图5 G2-P-G2的自组装。

图6 G1-P-G1和G2-P-G2相图。

图7 在不同的浓度时的聚类相和提取的晶格参数。

综上所述，这项研究的一个有趣的方面是，依赖于嵌段共聚物范式的构建块设计，使我们的基于DNA的三嵌段具有温度敏感性，结果产生了具有意想不到的光学各向异性和自组装转变路径的簇晶结构，这些路径可以通过改变温度轻易控制。这种来自嵌段共聚物和DNA纳米技术的自组装方法的融合，已经被证明能够提供具有高度自组装结构复杂性的温度调节纳米尺度结构。鉴于其通用性和鲁棒性，本文报道的合成方案可以很容易地应用于任何一种全DNA纳米尺度结构。

研究者预测，结构DNA纳米技术研究领域中任意复杂的DNA纳米结构的设计和构建的最新进展，可以通过精心设计系绳的全DNA几何结构，为簇团晶体工程提供前所未有的自由度，因此，它开辟了以一种预测的方式控制系统宏观属性的可能性。 （文： 水生 ）

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