科学家开发出光驱动的三维等离子纳米系统

这种类似剪刀的纳米系统由卷曲的DNA（灰色）束组成，尺寸仅为几纳米。在可见光下，从束中伸出的两个DNA末端（红色）彼此连接在一起。当研究人员打开紫外线灯时，系统打开。他们可以借助两个金条（黄色）中的物理变化来测量打开和关闭。

马克斯·普朗克智能系统研究所的科学家已经开发出了可以用紫外线打开的剪刀形式的纳米等离子体系统。

纳米机器将来可能承担各种任务。有朝一日，他们可能能够在人体中进行医学精密工作，或帮助分析流动实验室中的病原体和污染物。斯图加特马克斯·普朗克智能系统研究所的科学家们现在提出了一种可能的组件，该组件可用于专门移动和控制这种机器。他们开发了剪刀形式的纳米等离子体系统，可以使用紫外线打开。一旦他们用可见光而不是紫外线照射纳米结构，它就会再次关闭。研究人员可以借助光激发的金颗粒来观察结构变化。

动植物细胞以及细菌在其DNA中存储有关其完整结构和所有重要过程的信息。在纳米技术中，科学家使用的不是DNA携带基因组成的能力，而是其弹性结构。这使他们能够构建小型机器的组件，例如电动机和其他工具。

为了能够设计出完整的纳米机器，科学家必须逐步设计并进一步开发机器的可能亚单元。马克斯·普朗克智能系统研究所的研究人员以及日本和美国的同事现在已经开发出了一种由DNA制成的结构，该结构可以用作纳米电机或纳米齿轮箱的运动组件。像一把剪刀的两个刀片一样，它们具有通过铰链连接的两个DNA束。每个束只有80纳米长，每个束由14条彼此平行排列的卷曲DNA链组成。最初，剪刀状纳米结构的运动被一种由偶氮苯制成的化学挂锁所阻止，该挂锁可以被紫外光打开。

纳米等离子体系统由DNA组成，并通过可见光封闭。两个DNA束（灰色）通过一个小分子挂锁连接在一起，该锁由两个突出的DNA末端（红色）组成。嵌入其中的是偶氮苯，当被紫外线（紫色）激发时，它们会改变其结构。这导致两条DNA束彼此分离，两条DNA链之间的角度打开。研究人员可以使用从所谓的圆二色性（CD）光谱（右上图）中获得的光谱检测这种结构变化，其中小金条（黄色）上的等离激元变化会留下特征痕迹。当研究人员在系统处于打开状态时关闭紫外线并打开可见光（vis）时，偶氮苯会改变其结构，两个DNA末端又重新连接起来。

化学挂锁由光打开

偶氮苯的每个组分都与从每个束中伸出的DNA线连接。在可见光下，偶氮苯残基的结构允许两个束的突出DNA链彼此连接-两个束彼此非常靠近。但是，一旦研究人员用紫外线激发DNA-偶氮苯络合物，偶氮苯就会改变其结构。这导致两个松散的DNA末端分离，并且铰链仅在几分钟内就打开。因此，光在某种意义上就像是运动的润滑剂。紫外线关闭后，偶氮苯再次改变其结构，两个DNA末端再次连接起来：纳米系统关闭。斯图加特马克斯·普朗克研究所研究小组的负责人劳拉·纳·刘（Laura Na Liu）说：“当我们要开发一台机器时，它不仅必须朝一个方向工作，而且必须是可逆的。”此处的DNA束不会移动，因为光会发生变化，或者因为偶氮苯会改变其结构，而仅仅是因为布朗分子运动。

研究人员可以实时观察纳米结构如何打开和关闭。为此，他们将DNA纳米技术与所谓的纳米等离激元技术联系在一起：研究领域涉及电子在金属表面的振荡，即所谓的等离激元。当光入射到金属颗粒上时，等离激元会出现，并在合适的光下留下特征性的特征。

微小的金条可提供打开状态的信息

由劳拉·纳·刘（Laura Na Liu）领导的研究小组已经在两个细小的金条上产生了这些等离激元，每个金条都位于两束DNA之一中。使用剪刀的类比，这两个金颗粒分别位于剪刀刀片的外侧，并像剪刀铰链处的DNA束一样越过。光的激发不仅导致将两个DNA束固定在一起的分子挂锁弹开，而且金颗粒上的等离激元也开始振荡。当剪刀状结构打开时，两个金条之间的角度也会发生变化，这会对等离激元产生影响。研究人员可以通过用具有适当特性的光照射纳米系统并测量其变化来光谱观察这些变化。因此，他们甚至可以确定DNA束之间的角度。

“我们首次成功地利用光控制了纳米等离子体系统。而这恰恰是我们的动力。”研究人员和她的同事以前曾在可以化学控制的纳米系统上进行过研究。但是，化学控制并不干净，并且会在系统中留下残留物。

劳拉·纳·刘（Laura Na Liu）在光控剪刀设计中已经有了应用。该系统可以用作控制纳米颗粒排列的工具。“由于可以控制两个DNA束之间的角度，因此可以改变纳米粒子在空间中的相对位置，” Laura Na Liu说。此外，科学家们认为当前的工作是迈向纳米机器的一步。纳米等离子体系统可以是这种机器的一部分。

出版物：Anton Kuzyk等人，“将分子运动转化为可逆的手性功能的光驱动三维等离子纳米系统”，《自然通讯》第7期，文章编号：10591; doi：10.1038 / ncomms10591