近日，中國科學院院士汪衛華團隊提出了一種基于DNA折紙模板的單質金屬非晶化新策略，通過在DNA框架中心構建具有近五重對稱特征的納米限域空間，在常壓、室溫條件下實現了非晶態銀納米結構的可控構筑和原子制造。相關成果發表于《材料展望》（Materials Futures）。
記者獲悉，該創新策略為非晶態金屬的制備開辟了新路徑，有望推動非晶材料科學領域的進一步發展。汪衛華團隊通過自組裝技術，構建了具有近五重對稱特征的DNA折紙納米結構，該結構由一個中心節點及五個向外延伸的DNA長鏈組成，形成近似五重對稱的框架，中心天然形成邊長約4nm的五邊形空腔，為金屬沉積和原子制造提供了受限空間。
在制備過程中，團隊首先在DNA溶液中引入少量Cu2+離子，作為初始成核位點，隨后加入溫和還原劑抗壞血酸，將Cu2+還原為金屬態Cu0。接著，通過原位鍍置換反應，將Cu0成核種子置換為Ag0，最終銀沿DNA五邊形框架受限沉積，形成分布于DNA模板上的銀納米結構（NP-Ag@DNA），整體呈現出清晰且穩定的五重對稱形貌。
對比實驗顯示，無DNA模板條件下形成的銀納米顆粒主要呈現柱狀多晶形貌，而DNA模板存在時，銀納米顆粒的形貌與內部結構發生明顯變化，趨于多邊形或近圓形，內部原子排列更加復雜且無序。尤其在DNA折紙結構的中心區域，可觀察到直徑約3nm的完全非晶化銀域，表明DNA折紙結構在銀的成核、生長及晶界調控過程中發揮了關鍵作用。
電子束照射實驗進一步評估了DNA模板誘導形成的非晶銀結構的穩定性。結果顯示，在0-300s的照射過程中，銀納米結構整體形貌基本保持不變，中心非晶銀區域未出現明顯結構變化。隨著照射時間延長，雖然顆粒輪廓有所調整，但中心非晶區域面積僅小幅波動，未觀察到晶格條紋或晶體重構行為。這表明DNA折紙結構提供的限域幾何不僅促進了非晶結構的形成，還有效抑制了晶化行為，使非晶銀域在高能電子束持續作用下仍保持較高結構穩定性。
分子動力學模擬從原子尺度揭示了近五重對稱限域抑制晶化的內在機制。構建的不同對稱性銀納米結構模型對比分析顯示，五重對稱限域顯著提高了核心區域原子局域構型的多樣性，使體系具有更高的結構信息熵，且熵的弛豫過程明顯減緩，從而延緩了再結晶過程。
該研究在常壓、室溫條件下，通過DNA模板自組裝實現了單質金屬非晶結構的可控原子制造，直接驗證了幾何對稱性設計在抑制晶化過程中的關鍵作用。與傳統依賴極端冷卻速率的非晶化方法相比，這一策略在溫和實驗條件下即可有效阻止晶體有序生長，拓展了單質非晶態金屬制備的技術路徑。
相關論文信息：https://doi.org/10.1088/2752-5724/ae3098