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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。