关于表面如何形成晶体的新发现推动了半导体和纳米技术的发展

如该电子显微镜图像所示，迄今为止在平面上如何形成晶体的过程一直很难进行详细研究。

基于DNA的自组装系统阐明了半导体和纳米技术必不可少的过程。

结晶过程中，原子或分子像士兵一样排列成有序阵列，是定义现代生活的许多材料（包括微芯片和太阳能电池中的硅）的基础。但是，尽管许多有用的晶体应用涉及它们在固体表面上的生长（而不是在溶液中），但缺乏研究这类生长的良好工具。

现在，麻省理工学院和德雷珀的一个研究人员小组找到了一种方法，可以重现表面上晶体的生长，但是这种方法的规模更大，这使得该过程的研究和分析变得更加容易。麻省理工学院的Robert Macfarlane和Leonardo Zomberg以及Draper的Diana Lewis博士19和David Carter在《自然材料》杂志上的一篇论文中描述了这种新方法。

Macfarlane解释说，使过程易于观察和量化的关键不是使用实际原子组装这些晶体，而是使用“可编程原子当量”或PAE。之所以可行，是因为原子排列成晶格的方式完全取决于几何形状，而不依赖于其成分的特定化学或电子特性。

该团队使用了球形的金纳米颗粒，上面涂有经过特殊选择的基因工程DNA单链，使这些颗粒大致具有Koosh球的外观。单个DNA链具有固有的特性，可以将其紧密地附着在相应的互补链上，从而形成经典的双螺旋，因此这种配置提供了一种确保粒子以精确所需的方式自我对齐的可靠方法。

Macfarlane说：“如果我在粒子上放上非常密集的DNA笔刷，它将与尽可能多的最近邻居建立尽可能多的键。”“而且，如果您对所有内容进行适当的设计并正确处理，它们将形成有序的晶体结构。”尽管已经知道该方法几年了，但这项工作是首次运用该原理研究表面晶体的生长的工作。

他说：“了解晶体如何从表面向上生长对于许多不同领域都非常重要。”例如，半导体工业是基于大型单晶或多晶材料的生长，必须以高精度对其进行控制，但是该工艺的细节却难以研究。这就是使用超大型类似物（例如PAE）如此有益的原因。

他说，PAE“以与分子和原子完全相同的途径结晶。因此，它们是一个非常好的代理系统，可用于了解结晶的发生方式。”借助该系统，DNA的特性决定了颗粒如何组装以及最终形成3D构型。

他们设计了该系统，使晶体从表面开始成核并生长，“通过调整颗粒之间以及颗粒与涂有DNA的表面之间的相互作用，我们可以决定大小，形状，方向和程度晶体中的各向异性（方向性）。” Macfarlane说。

他补充说：“通过了解实际形成这些晶体的过程，我们可以潜在地使用它来大致理解结晶过程。”

他解释说，所得到的晶体结构不仅比实际原子结构大100倍左右，而且它们的形成过程也慢得多。这种结合使该过程更易于详细分析。表征这种晶体结构的早期方法仅显示其最终状态，因此在形成过程中缺少复杂性。

“我可以改变DNA序列。我可以更改粒子中DNA链的数量。我可以更改粒子的大小，也可以分别调整这些单独的手柄中的每一个，” Macfarlane说。“因此，如果我想说，好吧，我假设如果以这种方式调整能量学，那么在这种情况下这种特殊结构可能会受到青睐，与PAE相比，这是一个更容易研究的系统原子本身。”

他说，该系统非常有效，但是以允许与纳米颗粒连接的方式修饰的DNA链可能非常昂贵。下一步，Macfarlane实验室还开发了基于聚合物的构建基块，这些基块在复制这些相同的结晶过程和材料方面显示出了希望，但可以以百万克级的价格便宜地制造。

参考：Diana J. Lewis，Leonardo Z. Zornberg，David J. D. Carter和Robert J. Macfarlane的“纳米晶超晶格的单晶Winterbottom结构”，自然材料出版社，2020年3月16日。
10.1038 / s41563-020-0643-6

这项工作得到了德雷珀奖学金和美国国家科学基金会的部分支持，并获得了麻省理工学院材料技术实验室的使用。