近日，MIT 博士后陈驰使用 DNA 折纸结构作为模板，在二维平面上对量子点和量子棒的位置乃至方向，成功实现纳米级的控制。
图 | 陈驰（来源：陈驰）
借此，他和同事发展出一种名为“脱水辅助 DNA 功能化”的新方法，可以广泛用于各种亲水配体，能在几分钟之内让原本具有疏水配体的量子点和量子棒表面，快速覆盖高密度的亲水配体。
整体来看，本次研究针对量子点和量子棒，实现了简单、快速、高产率的的功能化制备，并让量子棒得以成功对齐。
在将量子点和量子棒组装成复杂的、定义明确的结构上，本次研究强调了 DNA 折纸技术的实用性，对于制备具有量子点和量子棒的光子器件具有建设性意义，也对基于 DNA 折纸的纳米加工工具箱做出重要贡献。
在应用前景上，除可用于微型发光二极管之外，也能用于量子计算元件或能量收集技术。
在前者中，本次成果可用于产生光学或电子可寻址组件的规则阵列，助力于以可靠的方式写入、存储、读取计算数据。
在后者中，对于以可靠的方式控制每个量子点的位置和方向来说，该成果将能带来一定助力。
（来源：Science Advances）
控制量子棒的间距与方向
量子点，是一种半导体纳米颗粒（1 纳米为 10-9 米）。该名称来源于其独特的“量子限域”效应。
凭借优异的光学性质和电学性质，量子点已被用来制备商用型激光器、显示器、太阳能收集设备。其中，量子点电视已经成功商业化，包括三星、索尼都有产生相关产品。
量子棒，实际上是量子点的近亲。不同的是，前者在颗粒的一端进行延伸，这让其具备产生线性偏振光的能力。
因此，在对于光的操控上，量子棒比量子点多出一个维度的信息，这有助于人们打造用于虚拟现实的三维成像。
要想控制量子棒的线性偏振光，就得让量子棒保持在同一个方向。在之前报道的方法中，人们主要通过宏观外力比如机械力和电磁力、或通过使用聚合物基质，来控制量子棒的方向。
在一定程度上，这些方法的确能对量子点方向进行全局控制，但是无法针对单个量子棒进行空间可寻址，进而完全控制其方向和间距。
而控制量子棒的间距十分关键，因为量子棒离得太近会发生荧光猝灭，进而影响其显示效率。基于此，该团队开展了本次研究。
（来源：Science Advances）
基于 DNA 折纸结构的纳米制造
研究中，他们使用 DNA 折纸结构作为模板。通过“沃森-克里克-富兰克林”碱基配对原则，DNA 折纸能将长较的单链 DNA 与较短的互补单链 DNA，折叠成三维或二维的几何形状。
同时，通过发展一系列算法，课题组得到了任意几何形状的线框架 DNA 折纸结构。
由于单个折纸结构的大小是有限的，因此需要将其组装成 DNA 折纸的超结构，即让无数个 DNA 折纸以周期性的方式，排列在二维表面上。
为此，他们发展了一种能直接在二维平面上生成单层 DNA 折纸超结构的方法，并将其称之为“表面辅助大范围组装”法。
这样一来，就能避免在溶液中进行组装，以及避免转移到二维平面上时可能出现的分层与团聚现象。
为了让量子棒整齐地排列在 DNA 折纸的模板上，其又发展了一种能让量子点和量子棒表面快速覆盖高密度 DNA 的方法，并将其称之为“脱水辅助 DNA 功能化”法。
这样做的好处在于，可以让量子棒通过碱基配对原则，紧密地与 DNA 折纸模板相结合。
此外，利用生物制造的方式即可生产 DNA。因此，使用 DNA 模板来进行二维制造，具有可持续性较高、环境友好等优势。
事实上，在 2022 年发表的一篇论文中，他们就曾利用 DNA 折纸结构，来对单个量子点的化合价进行精确的三维空间控制，并将这种方法称之为“价地理坐标化”法。
为何取这样一个名字？打个比方，可以把一个纳米颗粒想象为地球，通过地理坐标化的方法，就能让所需要的功能基团分别出现在波士顿、巴黎、北京。
由此可见，DNA 折纸结构具有编程纳米材料的能力。通过 DNA 折纸结构，能将可编程 DNA 折纸的设计原则，直接转移到纳米材料表面功能化的设计之中。
此前，该团队曾发展了二维线框架 DNA 折纸算法，于是他们尝试在二维平面上直接进行基于 DNA 折纸结构的纳米制造，以便更加符合现实世界的需求。
陈驰表示：“这个计划也得到了美国海军研究办公室项目的资助。当然需要说明的是，目前已经有较为成熟的技术在溶液中形成几个平方微米大小的 DNA 折纸超结构。但是，将溶液相制备的 DNA 折纸超结构，转移到表面上会发生分层与团聚的现象，因此无法得到大面积的单层二维 DNA 折纸超结构。”
（来源：Science Advances）
“这是传统量子棒难以做到的”
学界经常使用 DNA 折纸模板来排列金纳米颗粒，因为金纳米颗粒本身就能在水溶液中进行合成，且将其修饰高密度 DNA 的方法也得到了一定发展。
例如，美国西北大学课题组发展了“盐老化法”，加拿大滑铁卢大学课题组则发展了“冻融法”。
但是，对于量子点或量子棒，它们需要在有机溶液中进行合成。那么，在给量子点修饰 DNA 的时候，首先要将有机相合成的、具有疏水配体的量子点，转为带有亲水配体的、可溶于水的量子点。之后，再进行 DNA 修饰。这种方法的缺点在于，无法得到高密度 DNA 修饰的量子点。
2021 年底，中国科学技术大学课题组发展出基于正丁醇脱水来制备高密度 DNA 修饰的金纳米颗粒的方法。
受此启发，陈驰直接对乳化的有机相量子点进行脱水反应。这样一来，大量巯基 DNA 配体就能轻易取代亲和力较弱的疏水配体，进而得到高密度 DNA 修饰的量子点。
整个过程只需要几分钟，省去了转水、纯化、以及再与 DNA 进行交联反应的时间。不仅如此，他还将这种方法扩展到量子棒、乃至其他与纳米颗粒表面具有较强亲和力的亲水配体之中。
其发现，高密度 DNA 修饰的量子点和量子棒，具有很强的杂化能力，在高浓度盐溶液之中也具有较好的稳定性，因此非常适合基于 DNA 折纸模板的纳米制造。
并且，对于高密度 DNA 修饰的量子棒来说，它能很好地与线框架 DNA 折纸结构的边缘对齐，而这是传统量子棒难以做到的。
（来源：Science Advances）
量子棒装载率超过 90%
研究进行到这里时，陈驰的双胞胎小孩出生，为此他请了两个月的陪产假。期间，该实验室的罗鑫博士发展了在平面上形成二维 DNA 折纸超晶格的方法，即“表面辅助大范围组装”法。
当然，这一方法也是基于之前的“表面辅助组装技术”。此前，学界主要通过在表面上自由扩散、并基于非特异性钝端相互作用、表面拥挤和形状匹配来进行自组装。
不过，上述方法存在一些缺陷，例如经常会出现晶格缺陷，更重要的是由于非特异性的相互作用，单个 DNA 折纸的方向无法得到控制。因此，在组装其他功能材料时，并不适合充当可控模板。而在改进之后的方法中，加入了能够与相邻 DNA 折纸的特定空位进行杂化反应的 DNA 突出端，进而实现了对二维晶格中折纸单体的方向控制。尽管如此，此时二维量子棒阵列还是无法实现预期中 95% 的装载效率。
分析之后，陈驰和同事认为主要原因在于目前的“表面辅助大范围组装”法，无法有效地选择单个 DNA 折纸结构的着陆面。如果让装载量子棒的一面朝下，量子棒根本无法装载到 DNA 折纸结构之上。
同时，这种随机的着陆面选择，也会导致 DNA 折纸结构无法形成较大的超晶格，只会各自形成小块的超晶格。
“幸运的是，在我的另一个与 Jeffrey Gorman 博士合作的项目中，偶然发现我们所设计的非对称二维折纸结构具有一定程度的着陆面选择偏好。正是由于是非对称的，所以不同着陆面会呈现不同的特征。”陈驰说。
于是，他和同事尝试对 DNA 折纸结构的着陆面选择进行优化。受到非对称二维折纸结构的启发，他们在“表面辅助大范围组装”法所组装的 DNA 折纸结构的装载面，增加 31 个 DNA 突出端，借此充当干扰折纸与基底相结合的“熵刷”。
通过此，他们实现了对于二维折纸结构的着陆面选择，并形成了更大的超晶格，量子棒的装载率也超过了 90%。
在完成量子点和量子棒的二维阵列之后，他们让合作者——来自 MIT 化学系的博士生亚历山大·E.K.卡普兰（Alexander E.K. Kaplan）帮助测量量子棒二维阵列的光学性质。至此，研究正式进入收尾阶段。
最终，相关论文以《量子点和量子棒的超快致密 DNA 功能化，用于纳米级精度的可扩展二维阵列制造》（Ultrafast dense DNA functionalization of quantum dots and rods for scalable 2D array fabrication with nanoscale precision）为题发在 Science Advances[1]。
陈驰和罗鑫是共同一作，MIT 教授马克·巴特（Mark Bathe）担任通讯作者，MIT 教授蒙奇·G.巴文迪（Moungi G. Bawendi）是共同作者之一。
图 | 相关论文（来源：Science Advances）
蒙奇·G.巴文迪（Moungi G. Bawendi）既是本次论文的共同作者之一，也是量子点合成领域的开创者。在论文被接收之后，陈驰和同事曾一起在 Moungi 办公室聊天。
当时 Moungi 指着他办公室的电视说：“这是世界上第一台量子点电视，用的是含镉量子点，这在目前是被禁止的。”
所以，下一步陈驰等人计划使用符合现行环境标准的磷化铟量子点，来取代目前所使用的硒化镉量子点。
另外，针对量子点转水之后荧光猝灭的问题，陈驰曾向 Moungi 请教。后者建议要去掉水，所以未来他会尝试在无水条件之下进行 DNA 的杂化反应。
在应用探索上，其也计划与 MIT Nano 实验室合作，使用本次方法去生产可用于虚拟现实的设备。
（来源：Science Advances）
工作后决定读博，先后留学法国和美国
陈驰的读书经历有些特殊，他曾在硕士毕业之后短暂工作过。他的第一份工作是污水处理构筑物设计师，工作的第一个月他在安徽北部出差，主要是实地考察那里的煤矿。
“回来之后我就裸辞了，我想这不是我想从事的职业，尽管为了得到这份工作我经历了三轮面试，其中还包括当着主要领导的面使用 AutoCAD 进行现场作图。”其表示。
得益于在硕士阶段曾参与过国家 863 项目的关于纳米材料的子课题，他很快找到了中国科学院深圳先进技术研究院纳米中心的工作，期间发展了基于量子点荧光寿命的光学编码方法。
2016 年初，他在深圳一场学术会议上遇到巴黎第十一大学教授尼克·海德布兰特（Niko Hildebrandt）。
陈驰说：“当时我们聊了大概半小时。几个月后 Niko 告诉我巴黎第十一大学有一个‘巴黎萨克雷卓越计划（未来投资）’项目，建议我去申请这个项目。”
随后，他用英文写好研究计划，Niko 帮他翻译了法语摘要。经过一轮 Skype 面试，他从 40 个候选人中拿到唯一一个名额。
陈驰表示：“我在 2016 年 10 月加入 Hildebrandt 课题组之后，学习了荧光共振能量转移、时间分辨荧光光谱学以及显微学。后于 2019 年 7 月取得物理学博士学位。”
在巴黎读博期间，陈驰发展了荧光共振能量转移调制的方法。凭借相关成果他拿到了 2019 年国家优秀自费留学生奖学金。同年，其加入 MIT 教授马克·巴特（Mark Bathe）课题组从事博士后研究。
Mark 曾在线框架 DNA 折纸的算法领域做出一定贡献，得益于这些算法，陈驰将 DNA 折纸技术与他之前在无机纳米材料领域的经验相结合，发展了量子点价地理编码、以及量子棒二维阵列。未来，陈驰将继续在 Bathe 实验室开展博士后研究，并于今年秋季开始申请教职。
参考资料：
1.Chen, C., Luo, X., Kaplan, A. E., Bawendi, M. G., Macfarlane, R. J., & Bathe, M. (2023). Ultrafast dense DNA functionalization of quantum dots and rods for scalable 2D array fabrication with nanoscale precision. Science Advances, 9(32), eadh8508.