面向微纳制造的DNA模块AFM机器人化纳米操作辅助可控自组装方法研究

With the development of DNA nanotechnology, micro-nano fabrication and automation technology, controllable self-assembly of DNA origami module to obtain nano-structure and functional device becomes the trend of these three technology fields.Thus, study on self-assembly mechanism and development of controllable self-assembly method is very important. For that, in this study, the three technology will be joined on the controllable self-assmbly of DNA origami module facilitated by AFM robotic nanomanipulation. After the design and construct of DNA origami module, the interact-force between DNA origami module and substrate, that force between two DNA origami modules will be researched to explore the force princeple. Based on it, the core DNA origami module will be controllally positioned with the control of force and position of the AFM probe. After the core DNA origami module is positioned, other origami modules will be controlled to self-assemble on it with the control of the solution enviroment based on the understand of self-assembly machnism. The results of this study will provide a new method for controllable fabrication of DNA nanostructure and functional device, enrich the ways of micro-nano assembly and fabrication, and also improve the original innovation capability of the three front technology fields.

随着DNA纳米技术、微纳制造及自动化技术的发展，进行DNA模块的可控自组装来构建纳米结构或功能器件，成为了此三大学科领域交汇发展的必然趋势。为此，研究探索自组装机理、发展可控或面向可控方向发展的DNA模块自组装方法具有非常重要的意义。为此，本课题申请将结合此三大技术，引入AFM机器人化纳米操作手段，对DNA模块的自组装进行可控研究：在进行DNA模块的设计与构建后，通过对模块与基底、模块与模块间作用力的研究，探索其作用力规律；在此基础上，通过对AFM探针操作DNA模块中的力与位置控制，实现对"核心"DNA模块的可控定位；在可控定位其自组装的核心-"核心"DNA模块后，根据对自组装作用机理的研究，控制自组装溶液环境来实现DNA模块的可控自组装。课题研究成果将为DNA模块纳米结构或功能器件的可控制造提供新方法，不仅将丰富微纳装配制造的手段，同时也将进一步提升我国在学科交汇前沿领域的原始创新能力。

原子力显微镜(AFM)具有超高观测分辨率和操作可控性，分子自组装是一项具有高效和快速的合成技术。将AFM操作功能与分子自组装相结合，利用AFM操作的精确性和分子自组装的快速性可以形成高效率、结构化的纳米制造新技术，这对推动纳米科学技术发展，探索发展新型纳米器件和系统制造技术都具有重要意义。本课题以生物材料（DNA模块）的纳米组装为研究背景，针对AFM操作与分子自组装相结合的新型纳米制造技术面临的需求与挑战，开展了相应理论方法和实验研究工作。主要研究工作如下：.(1) 系统研究了AFM轻敲模式操作的理论方法，重点研究了操作振幅对操作结果的影响，和步长与步间距等对操作后样本位置和形态的影响，建立了参数调控的操作控制方法，完成了具有速度、方向、振幅、轨迹等调控参数的探针操作可编程实现方法。.(2) 针对生物DNA材料的易损坏、易粘附等操作难题，开展了探针轻敲模式操作的运动学和力学状态分析研究。 .(3) 针对纳米物体由于检测时外加力存在而难于检测真实几何尺寸的问题，通过研究不同振幅扫描作用力差异及相应检测高度差异性，结合接触力作用模型，提出了一种可计算微纳观物体杨氏模量的新方法；通过运用该作用力模型的逆运算，计算出了物体无外力作用时的真实形貌高度。.(4) 开展了液态环境下轻敲模式的CNT和DNA等纳米材料操作实验研究，分析了各种调控参数对操作的影响，并进行了方法验证，实现了对DNA模块的可控操作。.本论文的研究工作为柔性纳米材料的可控操作提供了理论分析，为新型纳米器件或系统的装配和制造提供了相关技术支持。总结起来本研究的主要创新点为以下几点：.(1)首次对轻敲模式的AFM操作方法进行了力学分析，建立了样本被成功推动判断依据，从而首次使得AFM轻敲模式操作有法可依；.(2)首次提出基于AFM轻敲扫描的纳米材料杨氏模量和原始高度测量方法，成功解决了力曲线法无法解决的小纳米物质特性测量的问题；.(3)首次对纳米操作建立最佳操作参数模型，极大地提高了操作效率。