近日，慕尼黑大学Gregor Posnjak和Tim Liedl等人展示了由 DNA 折纸自组装而成的三维光子晶体，其充当精确可编程的斑片胶体。研究人员基于DNA的纳米级四足体结晶成棒状连接的金刚石立方晶格，周期为170纳米。这种结构可作为二氧化钛等高折射率材料原子层沉积的支架，在近紫外区产生可调谐的光子带隙。相关研究成果以“Diamond-lattice photonic crystals assembled from DNA origami”为题，5月16日发表于《Science》。
1、背景
胶体自组装允许在微米和亚微米尺度上合理设计结构。一种可以产生完整三维光子带隙的结构是金刚石立方晶格，但在与可见光或紫外光波长相当的长度尺度上仍然难以实现。
然而立方金刚石晶格是最苛刻的胶体晶体几何形状之一，其中粒子的排列方式与金刚石中碳原子的排列方式相同。这种排列方式具有较大的开放空间，在能量上并不有利。因此，这种结构在胶体晶体中的成功率很低。
2、研究内容
为克服这个问题，作者设计了一种 DNA 折纸四足动物。每个四面体由四条平行的双链 DNA（24 个双链）臂组成。每条臂的顶端都有单链 DNA 尾部，尾部带有互补序列，可以使尾部杂交。由于四足虫是通过 DNA 杂交连接臂来相互联系的，因此必须精心设计序列才能实现正确的组装。两个相邻的四足虫之间需要形成多个 DNA 杂交，以获得均匀、交错的构象，而不是黯然失色的构象。同时，DNA 杂交必须足够微弱，才能组装出秩序井然、具有清晰刻面的胶体晶体。
3、结论
研究人员通过在金刚石晶格上涂覆无机材料，制造出具有可调带隙的光子晶体。结合 DNA 纳米技术的动态特性，这些高度可编程的胶体晶体可被进一步设计成反应灵敏、可重新配置的光学设备，从而使光的操纵达到前所未有的精确水平。
图1. 金刚石立方晶体的设计与生长
