这项研究由Brookhaven National Laboratory的Oleg Gang教授领导，Wenyan Liu、Jonathan Halverson、Ye Tian、Alexei V. Tkachenko等研究人员共同完成，于2016年9月发表在《Nature Chemistry》期刊上。

该研究的学术背景聚焦于纳米科学与自组装领域。经过数十年的发展，胶体自组装研究已从探究组分自组织成有序结构的基本原理，转向了对最终结构的主动操控。然而，要实现具有深远意义的纳米制造，必须解决一个更具挑战性的问题：如何在不显式规定每个粒子精确位置的前提下，自发形成具有预设复杂构型的纳米粒子结构。传统制造是确定性的，依赖详尽的蓝图，而自然界制造生命体则采用一种截然不同的原则——将复杂的“指令”嵌入系统本身，从而实现极高的信息效率。受此启发，研究者们将自组装视为一种利用最小化信息来生成复杂结构的方法，信息被“编码”在系统组件中。尽管已有研究通过调控粒子形状和相互作用潜能，生成了多种周期性和准周期性结构，并探索了非平衡态和种子诱导等控制方法，但要实现任意设计架构的自组装仍面临重大挑战。理论上，通过将多类型、各向异性的亲和力嵌入构建基元，可以创建具有高信息内容的结构。本研究的目标，正是实验性地验证这一概念，开发一种普适性策略，利用一组具有各向异性、选择性结合能力的异质纳米粒子模块，创造预定的平面架构，包括周期结构和任意形状的介观物体。

研究的详细工作流程如下。首先，研究者设计并制备了核心构建模块——多色纳米粒子。该模块将二维刚性DNA折纸框架与金纳米粒子整合为一体。DNA框架中心有一个方形窗口，内部设计有单链DNA用于捕获金纳米粒子。框架外侧四个边则被单独编码，植入具有特定序列的短单链DNA，作为四个具有不同“颜色”的χ补丁，以提供各向异性且可识别的结合位点。通过混合、退火DNA框架和表面修饰了互补DNA的金纳米粒子，成功制备了这些DNA框架化的粒子，原子力显微镜成像验证了其形态均一性和近乎完美的产率。根据框架上χ补丁的连接拓扑，研究者定义了五类主要模块：T型（一个连接器，终端粒子）、L型（两个连接器，90°键角）、I型（两个连接器，180°键角）、Y型（三个连接器）和X型（四个连接器）。这构成了一个可定制的粒子“字母表”。

其次，研究者利用这些模块演示了多种目标结构的自组装。为了组装方形和十字形纳米团簇，他们分别设计了由两个L型粒子组合以及由一个X型粒子与四个T型粒子组合的方案。将对应的DNA功能化纳米粒子与预组装的DNA框架按化学计量比混合，采用一锅法退火程序，使模块先形成，再通过χ补丁的识别自组装成目标形态。AFM成像直接可视化了组装结果，显示形成了与预设一致的方形和十字形团簇，并对部分组装的结构进行了分析。产率统计显示，方形团簇和十字形团簇的组装效率分别约为54%和57%，凝胶电泳结果与此一致。研究者还展示了利用不同拓扑模块构建一维线性阵列（均聚物）和锯齿形链（杂聚物）的过程。对于线性链，使用I型粒子；对于锯齿形链，使用L型粒子。通过AFM和原位小角X射线散射对溶液中形成的链结构进行了表征，SAXS确认了体相溶液中链的形成及粒子间距。特别地，锯齿形链的长度分布显示出显著的奇偶效应，即偶数粒子的链比例高于奇数粒子的链。

随后，研究扩展至二维周期性阵列。利用具有四连接位点、呈90°键角的X型粒子，通过其互补配对，成功自组装出二维正方形纳米粒子晶格。AFM图像展示了具有微米级畴尺寸的高保真度有序晶格。通过SAXS表征，在体相溶液中观察到了超过20个布拉格衍射峰，明确证实了长程有序的二维正方晶格结构，并精确测定了晶格常数。研究者还通过组合空心和填充粒子的模块，构建了更复杂的、具有双倍粒子间距的二维晶格，展示了方法的通用性。

最后，作为该方法普适性和可扩展性的终极演示，研究者设计并自组装了一个任意形状的复杂介观架构——莱昂纳多·达·芬奇“维特鲁威人”的纳米尺度模型。该结构由14个PχNP组成，涉及11种不同类型，涵盖了T、L、I、Y、X全部五种拓扑类别。AFM图像观察到了与设计完全匹配的高保真度“纳米维特鲁威人”结构，证明了该组装策略能够用于创建复杂、非对称的预设架构。

研究的主要结果体现在各个组装演示中。具体而言：（1）方形和十字形等有限团簇的成功组装及高产率，验证了模块化设计及其结合特异性的有效性。理论模型和布朗动力学模拟结果与实验观察到的产物分布（质量分数）高度吻合，表明该组装过程在实验时间尺度上基本处于可逆平衡态。对十字形团簇的分析引入了基于键合概率p的平衡分布模型，而对方形团簇中观察到的二聚体存在等非平凡分布，则通过考虑不同键合类型（“颜色”）之间自由能差异的扩展模型得到了解释。（2）一维线性链和锯齿形链的组装，不仅证明了构建聚合物类似物的能力，其链长分布的指数衰减行为（线性链）和奇偶效应（锯齿链）为理解组装热力学提供了数据。理论分析表明，线性链的分布符合经典的Flory逐步增长聚合理论形式，但平均链长由键强度而非动力学决定。锯齿链的奇偶效应直接源于两种键合类型的自由能差异，动态光散射测得的熔解温度差支持了这一结论。（3）二维正方晶格的成功组装是本研究的一大亮点。SAXS数据中大量高阶布拉格峰的出现，无可辩驳地证明了在溶液中形成了高度有序的二维超晶格，其衍射峰位置与正方晶格的预期完全匹配，展现了该方法在构建大面积、长程有序纳米材料方面的巨大潜力。（4）“纳米维特鲁威人”的成功自组装是方法通用性的最有力证明。它表明，通过精心设计模块的拓扑类别和颜色编码，并按照目标结构的化学计量比混合，可以实现包含多种模块类型的复杂、非周期性结构的可编程自组装。

该研究得出核心结论：研究者们成功演示了一种简单而普适的策略，通过利用具有各向异性和选择性结合能力的纳米尺度模块，可实现平面结构（包括周期阵列、简单形状和复杂介观架构）的可预测自组装。他们将纳米粒子的材料功能与DNA编码的精确结合特性整合到统一的、高度可定制的模块中，从而在不需要规定每个组件具体位置的情况下，实现了从“指令”到“物质化实现”的转化。

本研究的科学价值与应用前景十分显著。在科学层面，它架起了纳米粒子与复杂DNA纳米结构之间的桥梁，为自组装领域提供了一种全新的、信息高效的设计范式。研究不仅展示了实验可行性，还通过理论模型和模拟对组装过程、产物分布和形态细节进行了定量预测和阐释，加深了对复杂多组分系统自组装热力学的理解。在应用层面，该方法为按需创建功能纳米材料与器件开辟了广阔道路。由于模块允许整合不同种类、尺寸的纳米粒子（如等离子体、磁性、催化粒子），并能通过设计框架的对称性和相互作用，实现粒子在空间的精确排列，因此有望在催化、光学（如等离子体滤波器、光操控）、磁性材料、传感等领域催生新型功能材料。例如，通过排列等离子体粒子可以设计等离子体滤波器或涂层；通过定向排列粒子可以操控光的旋转。

本研究的亮点突出。首先，最重要的发现是实现了从“粒子字母表”到“结构句子”的可编程自组装，特别是复杂任意形状“纳米维特鲁威人”的成功，展示了前所未有的架构控制能力。其次，研究方法的创新性极高，创造性地将DNA折纸框架作为“腰带”包裹纳米粒子，构建了兼具各向异性、选择性和可编程性的PχNP模块，这一模块化设计是关键突破。再次，研究对象（多色纳米粒子模块）及其目标（预设任意平面架构）具有高度的特殊性。最后，研究结合了AFM、原位SAXS、DLS、凝胶电泳、理论建模和布朗动力学模拟等多种先进表征和分析手段，提供了从纳米尺度形貌到体相溶液结构、从实验观察到理论预测的全方位、相互印证的有力证据，使得结论极为坚实。

其他有价值的内容包括：研究展示了通过调整模块的化学计量比可以操纵组装结构（如链长分布），这提供了另一种调控手段；验证了分步退火协议和异质粒子系统的可行性，拓展了方法适用范围；同时指出，尽管本研究基于四重对称性模块，但该方法可扩展至其他对称性及其组合，并有望用于设计和制造三维架构，预示着更广阔的发展空间。