DNA诱导新型纳米粒子超晶格材料组装及其性能研究

DNA directed nanoparticle self-assembly to form highly ordered three-dimensional nanoparticle superlattices is an emerging technique in new materials synthesis. In this proposed study, a series of functional highly symmetric DNA polyhedra assembled via well-developed structural DNA nanotechnology will be employed to modify and confine the surface of nanoparticles that can be further used in superlattice engineering. Owing to their highly symmetric feature of the polyhedra, different types of atomic valances can be mimicked when each vertex of the polyhedron is functionalized with multiple single-stranded DNA tails. The functionalized DNA polyhedra and their confined nanoparticles will represent a new class of artificial atoms that can be used to synthesize many novel superlattices. Further, DNA polyhedra with artificial valances will be further used to direct anisotropic nanoparticle (e.g. nanorods) self-assembly, which may result in the syntheses of more interesting superlattice materials with controllable manner and new properties. The optical and electronic properties of these newly synthesized nanoparticle superlattices and films will be systematically investigated and the structure-performance relationships of these new materials will be revealed.

利用DNA分子引导功能性纳米粒子在三维空间中进行周期性有序排布制备纳米粒子超晶格结构是一项新兴的材料制备技术。在前期工作基础上，本项目拟利用DNA纳米技术制备的具有空间限域效应的高对称性DNA多面体来实现纳米粒子表面原子价键结构的模拟，并以此新型人工原子为基本构建单元组装制备先前难以得到的纳米粒子超晶体和功能性薄膜。同时这一系列具有空间定向成键能力的人工价键结构将进一步被用来引导各向异性纳米粒子（如纳米棒等）的三维组装，从而得到更多结构和功能可控的纳米粒子超晶体。在此基础上通过研究一系列超晶格单晶与光的相互作用，希望揭示不同晶型结构、晶体形貌对超晶体光学性能的影响，从而展示其由于纳米粒子聚集效应带来的独特光学性质。最后通过研究超晶格薄膜中纳米粒子表面修饰材料的原位转化，探索改善超晶格薄膜电子传输效率的方法，从而实现纳米粒子超晶格薄膜的功能化和器件化。

DNA纳米结构以其高度的可控性和精确可寻址性成为理想的模板材料用于引导其他纳米粒子的精确组装，从而构建具有新型功能的超材料。在本项目中，我们利用DNA自组装纳米结构为模板用于构建平行金纳米棒团簇，并对制备的金纳米棒团簇结构的光学性质进行了系统研究。此外我们还系统地研究了不同DNA序列与上转换荧光纳米粒子（UCNP）的相互作用关系，首次发现了富含胞嘧啶（Poly-C）的序列与UCNP表面具有最强的相互作用。基于这一发现，我们开发了一种含Poly-C的双嵌段DNA修饰UCNP的通用新方法来制备DNA-UCNP复合物。修饰后的上转换纳米颗粒具有优异的水溶性、单分散性以及生理稳定性。以DNA折纸结构为模板，我们实现了UCNP的精确可控组装，并进一步研究了其在生物医学上的应用。进一步地，利用DNA折纸纳米棒为模板，利用核酸纳米结构精确寻址特性，引导双组分金纳米棒和UCNP共组装，实现了金棒和UCNP纳米粒子空间距离的精确调控，从而为研究金纳米棒表面等离子体如何影响UCNP的发光特性奠定了基础。在项目实施过程中，我们发表标注本基金的论文26篇，申请专利5项，获批1项，培养博士和硕士研究生8名，取得了较为丰硕的研究成果。