这篇Nature Nanotechnology，标题仅三个单词，首次实现纳米级精确自组装！

莫尔超晶格此前仅在原子尺度（如石墨烯）和微米级光子系统中实现，而介于二者之间的纳米尺度构建长期面临材料与技术双重挑战。传统方法需精密操控子晶格堆叠角度，在纳米尺度缺乏可编程材料体系支撑。

德国斯图加特大学刘娜教授团队开发出DNA莫尔超晶格，利用扭曲DNA折纸种子精确控制单链瓦片（SST）子晶格堆叠，实现2纳米子晶格常数与数十纳米周期的超晶格。通过模块化成核位点调控生长路径，双层结构产率达90%，并首次构建出梯度周期莫尔超晶格。

跨尺度超晶格构建

研究团队设计两类空心DNA折纸种子（Seed S方形阵列/Seed H蜂窝阵列），其螺旋扭曲段（Z₂/Z₄）可预设1.2°-3.8°转角（图1b）。配合三种SST子晶格：方形（周期2.8nm）、笼目（5.4nm）、蜂窝（4.4nm），经冷冻电镜确认晶格对称性（图1c）。干燥导致的10-20%结构收缩通过原子力显微镜验证。

图1 | DNA莫尔超晶格的基础构建模块

成核路径精确调控

种子表面捕获链（capture）布局决定成核效率：完全协同模式（双域结合）使双层产率达90%，而部分/非协同模式分别降至45-53%和13%（图2e）。该原则普适于不同晶格——方形种子可诱导笼目晶格生长（尺寸分布从5.1±1.4μm优化至1.8±0.2μm），经改造的蜂窝种子（Seed H(F)）更实现1.7±0.3μm的最窄尺寸分布（图2f,g）。

图2 | 成核路径的合成调控

超晶格结构表征

扫描电镜显示微米级方形双层结构通过中央种子桥接（图3a），原子力显微镜测得单层高度39nm（设计值43.5nm）。透射电镜揭示方形双层莫尔周期33nm，对应3.9°转角（设计值3.8°），统计偏差（5.0°±1.8°）源于种子异质性与干燥变形（图3c-e）。该技术成功构建同质/异质三层结构（如方形-笼目-方形），转角由种子扭曲段精确控制（图3h-j）。

图3 | 工程化DNA莫尔超晶格

首创梯度超晶格

非对称种子（Seed S(G)）的梯形截面产生渐变转角：底面b²ⁿᵈ相对b¹ˢᵗ扭转2.8°（周期45nm），斜面a²ⁿᵈ则扭转13.7°（周期9.2nm）。电镜成像显示子单元取向沿顺时针渐变（实线箭头），逆时针突变（虚线箭头），对应莫尔周期从8.9nm连续增至79.1nm（图4g,h），FFT图谱证实不同区域转角差异（图4i）。

图4 | 梯度DNA莫尔超晶格

应用前景

该方法突破传统外延生长限制，首次在纳米尺度（~2nm）实现声子晶体定制化。通过硅化等材料转化策略，这些DNA结构可转化为刚性声学超材料。结合芯片定位技术，未来有望在预定义位点组装莫尔超晶格，为量子器件和拓扑光子学提供新平台。

来源：高分子科学前沿

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