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北京大学孙伟研究员团队与厦门大学朱志教授课题组合作在低缺陷核酸自组装研究方面取得进展
2024/04/26
图 亚10纳米周期核酸结构的缺陷抑制:正交核酸序列设计可以选择性抑制缺陷生成的动态过程,从而将高维晶格缺陷的生成几率降低两个数量级
在国家自然科学基金项目(批准号:T2125001、21991134、21875003、21974113、21735004)等资助下,北京大学孙伟研究员团队与厦门大学朱志教授课题组合作,在亚10纳米周期核酸结构中,探索了晶格缺陷的有效抑制方法。相关成果以“小间距核酸阵列中的高维缺陷抑制(Suppressing high-dimensional crystallographic defects for ultra-scaled DNA arrays)”为题发表在《自然通讯》(Nature Communications)。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-30441-1。
高分辨纳米加工方法的快速发展不断推动了纳米器件的小型化进程。但光刻纳米加工方法受限于光学衍射极限,分辨率的进一步提升面临着很多困难。以核酸自组装为代表的精准自组装技术,具有单分子尺度分辨率与复杂三维定制形貌,为纳米器件尺寸进一步缩减至光学衍射极限以下提供了可能。目前,核酸自组装结构已初步应用于制备具有10—20纳米特征周期的碳基、硅基器件,器件关键尺寸优于目前的极紫外光刻分辨率极限。然而,当核酸自组装结构的特征周期进一步缩减至亚10纳米时,邻近晶格往往在熵致作用下发生融合,大幅度增加位错等晶格缺陷的生成几率,破坏了核酸自组装结构的有序性,也制约了其在高分辨纳米加工中的应用潜力。
孙伟研究员及其合作者以周期性核酸阵列作为模型体系,通过对结构缺陷的形貌及组装动态过程进行分析,研究了高维晶格缺陷的关键调控因素。研究发现,高维晶格缺陷的形成,与自由摆动的核酸单链嵌入相邻晶格的动态过程密切相关。随着核酸序列周期的减小,核酸单链嵌入相邻晶格的用时变短,缺陷生成的动态过程快于邻近晶格的正确组装过程,处于主导地位。序列周期越小,晶格缺陷越容易生成,核酸序列周期与缺陷生成几率负相关。为了抑制小间距阵列的高维晶格缺陷,需要在相邻形貌单元中引入正交核酸序列,在不改变阵列形貌的基础上,增大核酸序列的周期,选择性抑制缺陷生成的动态过程。基于这一正交序列策略所设计的7.5纳米周期核酸阵列,其缺陷率可以比传统设计策略降低两个数量级以上(低于1%),并且阵列周期远优于下一代极紫外光刻的特征尺寸。低缺陷的核酸阵列可以进一步作为模板,介导加工高密度三维金属线阵列(如钯、镍,图)。
在生物分子介导的高分辨纳米加工领域,这一研究将为进一步制造亚10纳米周期的功能材料阵列奠定基础。同时,在亚10纳米周期内,量子传输特性开始占据主导,因此该研究也具有应用于未来全固态量子器件的潜力。
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