更轻、更薄的显示器——基于等离子体纳米粒子超晶格的光子晶体

DNA无疑是生命的基础。很快它可能也成为你的电子设备的基础。

美国西北大学的一个研究团队开发了一套新的设计光子晶体的原则，使光子晶体类似于通常用于计算机、电视和智能手机显示器的晶体。通过使用人造DNA将粒子组装成晶格，研究人员们为实现更轻、更薄的显示器（与目前可用的显示器相比）提供了创造了条件。

“大多数人每天都会看笔记本电脑，但是很少有人知道它们是由什么组成的，为什么由这些部件组成，”George Schatz, Charles E. 和Emma H.说道，Emma H.是西北大学的温伯格艺术与科学学院化学教授。“显示器的一个组成部分是后向反射镜，这是一种类似镜子的装置，可将LCD发出的光线导向观看者。这些反射镜使用的分层聚合物比我们的晶体更厚更重。

新的发现可能导致更轻、更薄的电脑、智能手机和电视显示器。

在西北大学的方法中，不仅用金纳米晶体取代了这些聚合物，而且还将这些金纳米晶体分隔开以在其中留下空气。其结果是更轻，更紧凑，精确设计并且可重新配置的结构，该结构仍然具有高度反射性。

该研究发表在“Proceedings of the National Academy of Sciences”上（“Design principles for photonic crystals based on plasmonic nanoparticle superlattices”）上。Schatz、西北大学国际纳米技术研究所所长Chad Mirkin和化学教授George B. Rathmann是该论文的共同作者。

虽然DNA几乎总是与活生物体相关 - 从简单的细菌到复杂的人类 – 该研究中使用的DNA是化学合成和操作的，而不是源自活体细胞。1996年，Mirkin发明了将合成DNA与金纳米粒子连接在一起以产生自然界中未发现的新物质的方法 - 基本上使用“生命蓝图”来编程它们的构造。这些结构已成为1800多种全球使用的产品的基础，主要用于生命科学领域。

然后，在2008年，Mirkin和Schatz合作，通过DNA连接颗粒来制造晶体。通过将合成DNA链连接到小金球上，二人发现他们可以建立三维晶体结构。改变Gs，As，Ts和Cs的DNA链序列改变了晶体结构的形状，使研究人员们能够在空间中以不同的方式排列这些粒子。使用这种方法，已经实现了超过500种晶体类型，跨越30多种不同的晶体对称性的晶体的制作，这一工作使其成为一种强大的，根本性的新方法来编程晶体物质的形成。

尽管自2008年以来这项工作取得了复杂的进展，但Mirkin和Schatz最初并未意识到他们在实验室中制造的晶格具有类似于器件显示器中发现的聚合物层的光学特性。

Schatz说：“通过计算机建模，我们意外地意识到含有金纳米颗粒的晶体材料具有我们早期错过的性能。”“然后我们使用计算来优化其光学性质，并且这些表明非接触金属球在某些情况下可能比接触聚合物球更好。”

在实验室制作晶体后，Mirkin和Schatz的团队测量了晶体的光学特性，发现他们的计算模型确实是正确的。虽然他们仅在当前的PNAS论文中测试了晶格的反射性质，但该方法可能导致使用DNA驱动的自组装“设计出”许多类型的功能材料。

“这种方法的通用性和设计规则非常特别，并且与粒子组成无关，”Mirkin说。“这将我们最初在20世纪90年代构想提升到了全新高度。”