当玻璃遇见DNA，钢铁侠的超级战衣变成现实

科幻作品有时能激发真正的科技创新。

儒勒·凡尔纳的《海底两万里》带来了深海探索的勇气。威廉·吉布森的《神经漫游者》对互联网发展产生重大影响。尼尔·斯蒂芬森的《雪崩》对虚拟宇宙概念做了普及。道格拉斯·亚当斯的 《银河系漫游指南》首次提出电子书概念。

漫威超级英雄钢铁侠的战衣，会是未来某种神奇材料的科幻原型吗？

其实这种接近钢铁侠战甲的材料现在已具雏形。不久前，一个美国科学团队使用玻璃和DNA，研制出一种比钢强硬数倍同时也轻盈数倍的钢铁侠级材料。

轻，能降低制造成本，同时提高性能和效率。硬，可承受压力，保证安全。但硬和轻往往相互矛盾，更坚固的材料一般也更重，如果选择轻质，耐用性就差了。一辆轻盈的汽车能行驶更远距离，消耗更少燃料，但它的坚固程度、安全性如何保证？

科学家一直希望平衡材料的这两方面特性，实现又硬又轻、超越常规的产品应用。

哥伦比亚大学纳米材料科学家奥列格·冈 （Oleg Gang） 如此说道：“我是钢铁侠的忠实粉丝，我也一直想知道如何为钢铁侠打造更好的战甲。”

冈和同事认为，制造过程是阻碍材料兼具硬轻特性的问题，因为大规模生产可能给具有复杂分子结构的材料带来缺陷。

玻璃就是个典型例子。我们认为玻璃很脆，很容易碎掉，这是由缺陷和杂质造成的，例如微裂纹或原子缺失。如果抛开生产因素，只看那1立方厘米的、完美无瑕的玻璃，它其实能够“承受10吨的压力”。

DNA折纸装订出框架

冈和同事决定在纳米尺度上构建新材料，这样就可以更好控制微妙的分子排列，确保材料缺陷更少。不过首先，他们需要一个框架来排列分子——他们选择了DNA。

这一选择有几个优点。一方面，它广泛存在于自然界且可用。另一方面，它是由单体 （核苷酸） 组成的高分子聚合物，因此属于弹性材料——就像橡胶和聚酯这些合成聚合物一样。

为构建框架，研究团队使用一种“DNA折纸” （DNA origami） 技术，将作为支架的长链DNA与用来“装订”支架的短链放入特定溶液里结合。如下图所示，短链 （staples） 将长链 （scaffolds） 以特定方式连接，形成折纸八面体 （origami polyhedron） ，八面体们又会进一步相互作用、结合，形成超晶格结构 （superlattice） 。

需要指出的是，DNA的氢键能确保长链和短链的DNA碱基被稳固地装订在一起；研究人员只需加热溶液并使其退火，然后，DNA折纸晶格就有了！

冈的同事、来自布鲁克海文国家实验室的亚伦·迈克尔逊 （Aaron Michelson） 表示：“我们致力于使用DNA作为可编程纳米材料来形成复杂三维框架，探索这种支架在被用到更稳定的固态材料中后，复合体的机械性能会是如何。”

DNA涂玻璃

比钢硬，比钢轻

有了DNA晶格框架，接下来就要把二氧化硅玻璃涂到晶格上。玻璃层超薄，只有几百个原子厚 （大约2~10纳米的厚度） 。为确保材料超轻，他们没有在DNA晶格的内部空间填充二氧化硅。

当然，鉴于材料尺度，测试性能的方法要变一变了。迈克尔逊等人选择一种名为纳米压痕的技术：用一个小探针对DNA-玻璃材料施加压力，通过电子显微镜测量材料行为。

测试结果表明，材料的屈服强度可达1~5吉帕——地质学家测量地幔内的巨大压力时，通常以吉帕为单位。

冈自豪地表示：“我们打造的新材料，密度是钢的1/5，强度却是钢的4倍。这种玻璃纳米晶格将比任何其他结构材料更出色地为钢铁侠提供超级战衣。”

研究团队的另一位成员、康涅狄格大学材料科学家李锡佑 （Seok-Woo Lee） 补充道：“我们的材料是它这个密度级别上最强硬的材料。”

当然，这款纳米级材料距离成为真正的钢铁侠战衣还有很远距离。研究团队发现，DNA折纸晶格越大，缺陷就越容易出现，最常见的是结构中的空隙，这会导致材料损失强度。此外，用于保持DNA稳定的缓冲溶液有可能给材料添加碳、磷和氮等杂质。

研究团队希望尝试创造更坚固的材料。一种方式是使用其他晶格框架构建纳米结构。另一种方式是给晶格上涂其他材料，例如碳化物陶瓷。

话说回来，即使这些纳米材料永远无法扩展至钢铁侠甚至蚁人的尺寸，它们也有望助力更先进的技术，例如用于超导体和电池阴极。

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