核酸纳米技术（精）/软物质前沿科学丛书

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PART ONE
　　**篇 核酸纳米技术基础
　　核酸纳米技术是一个高度学科交叉的研究领域，涉及生物学、物理学、化学、材料科学等众多领域的知识。在本篇中我们首先介绍了核酸纳米技术相关的基础知识和术语，之后着重探讨了如何用“纳米”的思维来看DNA分子，最后我们从核酸纳米技术如何应用的角度探讨了核酸分子在感知、计算和运动三个方面的作用。
　　第1章 核酸纳米技术的基本概念
　　1.1 纳米技术引论
　　李民乾1，胡钧1，2 ，张益1，2 ，刘冬生3，李茜4，樊春海4（1中国科学院上海应用物理研究所；2中国科学院上海高等研究院；3清华大学化学系；4上海交通大学化学化工学院）
　　“纳米”是一个激动人心，能激发无限想象力，同时又显得很神秘并曾引起很多争议的词语。究其本源，纳米（nm）又称为毫微米，就是10–9m（10亿分之一米），正如同厘米、分米和米一样，就是一个空间尺度的度量单位。1nm 是千分之一微米（.m），是几个原子排列起来的长度，是人类头发丝的十万分之一粗细。人们如果仅仅粗略一看，很容易认为纳米就是一个尺度而已，那么负载在纳米上面的所谓纳米科学、纳米技术、纳米材料和纳米产品无非就是炒作罢了。然而，如果我们仔细考虑一下就会发现，纳米尺度正好是连接微观原子世界和宏观世界的桥梁，原子和分子的集合体一般处于纳米尺度，表现出特殊乃至与宏观物体截然不同的性质。在纳米科技领域中，纳米除其尺度的含义外又有着另一个内涵：纳米是一种思考方式，引导人们向着更小、更精细和更高效的层次发展探索自然与创造新物质。这也代表了人类文明正逐渐从微米世界向着纳米世界发展。纳米研究的最高境界是直接操纵原子、分子来构建具有特定功能的纳米结构、纳米材料和纳米器件。
　　正因为这样，研究结构尺寸在1nm 至100nm 范围内物质性质和应用的科学，也被称为纳米科学，从20世纪80年代末诞生起就成为全世界科学家的宠儿。纳米科学与技术的发展带动了和纳米相关的很多新兴学科，如纳米医学、纳米化学、纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学等，这使得纳米成为一个学科高度交叉和综合的研究领域。与此同时，各国政府都不惜重金发展纳米科学与技术，力图抢占纳米科技领域的战略高地。例如，美国于2000年1月21日由当时的总统克林顿在加州理工学院正式宣布设立了国家纳米技术计划（National Nanotechnology Initiative，NNI），并作为美国政府科技研究与开发的**优先计划。NNI 在2001年的预算即接近5亿美元。NNI 通过资助前沿领域研究、创建研究中心、发展教育与研究基础设施等推进纳米技术的发展和应用。同时，NNI 还支持与纳米技术相关的社会影响研究，包括伦理、法律、环境健康和劳动力等问题。迄今为止NNI 的预算总额已在100亿美元规模，这些资助大大推进了纳米科学的发展，加快了纳米技术在医药、制造业、高性能材料、信息技术、能源以及环境等领域中的应用。中国政府也将纳米科技列入国家科技发展规划的重点支持方向，在各个层面对纳米领域进行高强度的支持，并于2003年成立了国家纳米科学中心。
　　在此背景下，有一段时间各种所谓的纳米技术和纳米产品甚嚣尘上，纷纷冠以纳米之名以获得国家的支持或成为畅销的产品。这些“伪纳米”给纳米科技的发展带来了很大的困扰和阻碍。那么究竟什么是真正的“纳米”呢？一般而言，真正的纳米技术具备以下三个特征：①至少有一个维度落在1nm 到100nm 的尺度范围（有些时候科学家把下限放宽到0.1nm）；②其设计过程必须体现微观操控的能力，即能够从根本上左右分子尺度的结构的物理性质与化学性质；③能够组合起来形成更大的结构并显示出有别于常规结构的优异的电气、化学、机械与光学性能。
　　在人类通过劳动创造物质财富的历史过程中，人们往往是利用天然的矿物、动植物来进行生产，即通过将大块材料经过一系列加工和处理来制造产品，这带来了极大的物质、能源的浪费和环境的污染。纳米科技发展的原动力之一正是希望能够直接利用原子、分子来制造有特定功能的纳米器件，不但可以解决目前人类所面临的人口、能源和环境的危机，实现可持续发展，而且能够更经济、更高效、更小巧地生产产品，并且获得前所未有的新物质和新性质。从一定程度上来说，人类社会的发展可以通过标志性空间尺度的变革来体现，即经历了由毫米向微米，进而又向纳米发展的过程（图1-1-1）[1]。人类已经历过两次工业革命。**次工业革命开始于18世纪中叶，以蒸汽机为代表的新动力解放了人类的双手，使人类跨入了以机械代替人力的机械化工业时代，其标志尺度是毫米，可以称为毫米技术应用时代（简称毫米时代）。第二次工业革命开始于19世纪中叶，以电子技术为代表，其标志是微米技术的应用，使人类迅速进入电气化、电子化，以计算机和网络通信为代表的新时代。这不但缩短了人类之间的空间距离，而且很大程度上解放了人类的脑力劳动，促进了生产力的飞速发展，可以称为微米技术应用时代（简称微米时代）。进入21世纪后，以纳米技术为代表的新兴科技给人类带来了第三次工业革命，人类的生产和科技活动从微米层次深入纳米层次。物理学、化学、生命科学、信息技术、材料科学、医学等现代多学科领域在纳米尺度的研究中高度交叉。纳米科技已经成为21世纪科技发展的领头羊，受到各国政府和科学界的高度重视。
　　图1-1-1 人类历史上的三个时代及其标志尺度[1]
　　1.1.1 纳米科技发展简史
　　纳米科技的发展可以因一个有趣的故事而追溯到著名科学家爱因斯坦。1905年春天，爱因斯坦写信给他的同事康拉法 哈比希特，透露自己在这一年中将做4项工作，其一是要测量出分子的真正大小。在4月30日提交的博士论文中，他设计了一种新的测量分子大小的方法，估计出一个糖分子的直径约为1nm，首次将纳米与分子大小挂上钩，并证明了分子的存在。这是20世纪初物理学界十分关注的问题之一。爱因斯坦在该博士论文中设计了一种利用阿伏伽德罗常数来测量分子大小的方法。当爱因斯坦将这篇论文交给他的导师苏黎世大学的阿尔弗雷德 克莱纳教授时，这位教授因为论文过短而拒绝接受，爱因斯坦只好加了些段落，论文才得以通过。爱因斯坦可能怎么也想不到，他的这篇博士论文竟会是一个世纪后发展起来的纳米科技的源头之一。
　　1959年12月，著名的美国物理学家、诺贝尔奖得主理查德 费曼（Richard Feynman ）在加州理工学院召开的美国物理学会会议上做了一次富有想象力的演讲——“最底层大有发展空间”（There’s Plenty of Room at the Bottom）。他指出，倘若我们能按意愿操纵一个个原子，将会出现什么奇迹？他说：“我想谈的是关于操纵和控制原子尺度上的物质的问题，这方面确实大有发展潜力——我们可以采用切实可行的方式进一步缩小器件的尺寸。我不打算讨论我们将如何做到这一点，而只想谈谈原则上我们能做些什么 现在我们还没有走到这一步仅仅是因为我们没有在这方面花足够的时间和精力。”费曼的这些想法在当时的科学界被认为是科学幻想，然而在30年后这次历史性的演讲被认为是纳米技术发展的真正起点。
　　有意思的是，远在人类了解纳米科技乃至认识到纳米这个重要尺度之前，纳米技术就已经在人类社会中发挥了重要作用（图1-1-2）[2]。例如，科学家发现几千年来中国人使用的墨里面就包含着很多纳米级的材料并对墨的性能发挥着重要的作用。被誉为世界三大名刃之一的大马士革刀锋利无比，其刀身布满各种花纹，而独特的冶炼技术和锻造方式一直是波斯人的技术秘密，不为外界所知，迄今为止已经完全失传。有趣的是，德国德累斯顿工业大学物理学教授鲍夫勒声称已经发现了大马士革刀锋利无比的秘密，他称这是一项中世纪的纳米技术。他发现刀内不但含有极小的碳化铁纤维，而且还含有碳纳米管（又称纳米碳管）。碳化铁在盐酸中是会分解的，而碳物质不会。碳化铁纤维可能被包围在碳纳米管内而受到碳管的保护。鲍夫勒教授认为，这些微小但是非常坚韧的纤维不但使得大马士革刀呈现出美观的波纹图案，而且使它们锋利无比。用显微镜观察，大马士革刀在使用时刀锋上的微小锯齿一动也不动，所以每一次使用就相当于在给自己打磨，因此会越使用越锋利。
　　图1-1-2 古代的纳米技术：墨和大马士革刀[2]
　　事实上，自然界也有很多利用纳米结构的例子。例如，荷花虽生长于池塘的淤泥中，但它露在水面上的荷叶却出淤泥而不染，显得美丽而高洁。研究表明，荷叶表面具有很多微米和纳米结构，组合起来使其成为一个典型的超疏水材料。这可说是运用自然的纳米科技来达到自我洁净的最佳实例。中国科学院化学研究所的江雷院士就利用这一效应研制了超疏水、可以自清洁的涂料和领带[3，4]。事实上构成我们人体的蛋白质和核酸（DNA 和RNA）的大多是纳米尺度的分子，这是自界亿万年自然选择的进化结果，也体现了纳米和生物学的天然结合，这将在后续章节中重点阐述。
　　1.1.2 纳米领域的“眼睛”和“手”
　　使用X 射线衍射技术可以获得原子级分辨率的信息，著名的DNA双螺旋结构就是在X 射线晶体衍射图谱基础上推测出来的。然而X射线衍射技术是一种间接的分析方法，人们一直期盼有一种方法能直接“看”到原子。1981年，瑞士苏黎世IBM 实验室的罗勒尔（Rohrer ）教授和他的研究生比尼格（Binnig ）发明了扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM）[5]，使这个愿望终于成为现实。
　　比尼格在研究导体间的电子隧道效应问题时发现，当两个导电平板的间隔距离小于1nm 时，即使不接触也会产生电流，并且这种电流是随着间距的减少而呈指数上升的。这种现象是由量子力学中的隧道效应产生的。电子在特定条件下可以像“崂山道士”一样“穿墙”而过，因此被称为“隧道电流”。接下来，他们把一个平板导体替换为一个很尖的导电针尖，再让这个针尖对另一个平板导体（样品）做二维扫描，正像电视显像管中电子束扫描一样，同时记录下每个扫描点相应的隧道电流，而这个电流是直接与表面高低起伏有关的，即与表面形貌有关。这样一来测量平板间隧道电流