Dan Luo：由DNA水凝膠製備而成的機械超材料

最新 03-29

超材料是具有天然材料所不具備的特殊物理性質的人工材料。大多數超材料都是由硅、銅等無機材料製備而成，它們具有不同尋常的電磁或者聲學特性，用於隱身衣、超級透鏡或者聲音吸收器等。來自康奈爾大學的DanLuo團隊以DNA為原料，利用滾環擴增（RCA）和多引物擴增（MCA）技術製備出一種具有特殊物理性質的DNA水凝膠超材料。

如圖所示，為了製備DNA水凝膠，作者選擇Φ29聚合酶，首先使用Primer1進行x小時RCA反應，形成與環狀模板互補的串聯重複序列（ssDNA）；再加入Primer2和Primer3，以RCA生成的長ssDNA為模板，進行y小時的MCA反應，擴增後的產物既含有ssDNA又包含dsDNA（圖1）。當RCA反應達4h，MCA反應達16h，即可生成理想的水凝膠。出乎意料的是，作者在實驗過程中發現DNA水凝膠會根據物理環境的不同，呈現類液態或者類固態的性質。當去除水的時候，水凝膠成為「液態」（圖2a），在管子中可以自由流動，在各種容器中形成不同的性狀（圖2b）。可是，再將其放入水中，又會變成固體膠的形式。為了進一步研究這種不尋常的性質，先將DNA水凝膠分別放入具有D、N和A字母的模具中形成相應的形狀（圖2c），去掉水後，每種凝膠都類似液態，布滿瓶底（圖2d）。可是，再次加入水後，凝膠又會在15s內形成初始的形狀（D、N和A）（圖2e-f）。這種現象可能與表面張力和重力有關。

此外，作者還將水凝膠這種特殊的物理性質進行了延伸應用，例如，將水作為開關的水凝膠電路（圖3）。預先滴入金納米顆粒提供導電性。移除水後，DNA水凝膠為類液態，形成連接兩個電極的通路狀，電路打開；加水後，水凝膠立即呈類固態恢復至較短的初始形狀，使凝膠從電極快速撤回，完全切斷電流。