金属和半导体三维纳米结构是下一代半导体器件、神经形态计算和先进能源应用的潜在基础材料，其精准控制对于实现各种新颖的机械、光学和电子性能至关重要。

近日，美国布鲁克海文国家实验室与哥伦比亚大学、纽约大学石溪分校合作建立了一种利用可编程DNA自组装构建功能性三维纳米结构的通用方法，将有助于开发创新性的半导体器件、光学材料、先进能源材料等。相关论文最近发表在《科学进展》上。

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科学家们使用新的通用方法来创建三维金属和半导体纳米结构 图片来源：布鲁克海文国家实验室

由于DNA和纳米粒子的尺寸相当，科学家开发出利用DNA对纳米材料进行化学编码的方法。通过对DNA链进行编码，引导纳米粒子按照设计好的结构自组装成纳米晶体，从而产生有益的特性，如导电性、光敏性和磁性等。

布鲁克海文国家实验室的科学家在这一领域已有十多年研究基础，已生产出可切换薄膜、三维纳米超导体等功能材料。

不过该方法也存在局限性，例如，纳米结构不够坚固。在此前的研究中，布鲁克海文国家实验室的研究团队发明出引入二氧化硅的方法来增强结构坚固性，相当于为纳米材料打下坚硬的骨骼。

后来，他们又开创了两种在材料表面结合化学物质的新技术——气相渗透法和液相渗透法，以蒸汽形式将金属等化学物质结合到纳米结构上，并使其穿透材料表面，深入结构内部，相当于在坚硬的骨骼上叠加了各种功能性涂层。

在此项研究中，研究人员将两种渗透技术叠加在一起，成功获得了由金属、金属氧化物、半导体材料以及复合材料制备的各种纳米结构，实现了通过一种方法生产种类广泛的功能性纳米结构。

论文第一作者Aaron Michelson表示，技术叠加之后显示出“比以往任何时候都更深入的控制”，可以产生更复杂的结构，例如将铂、铝和锌结合在一个纳米结构上。”

目前，通过这一方法，科研团队能够生产出含有锌、铝、铜、钼、钨、铟、锡、铂等不同金属相互组合的各种三维纳米结构。

Michelson说：“这项实验最令人惊讶的一点是，我们能够使用相同的工艺方案，以简单、可重复和稳定的方式，成功生产出如此多材料成分不同的纳米结构。”

论文通讯作者、哥伦比亚大学教授Oleg Gang表示，“我们已经证明了可以使用DNA定向组装来组织各种类型的结构。但是，要将这项研究提升到一个新的水平，不能仅仅依靠DNA。我们需要扩展方法，为微电子和半导体器件等提供更坚固、功能更全面的结构。”

团队成员表示，布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心提供了很好的合作氛围，不同实验室之间的合作和碰撞是能取得这项成果的原因之一。他们也将把这种简单、可重复和稳健的方法提供给世界各地来访的科学家使用。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.adl0604