上海交大姚广保课题组提出了几何编程连接性的新方案，解决了球形胶体颗粒很难定向组装金刚石类开放拓扑晶体的长期难题，依靠四面体 DNA 折纸做空间限域，直接给原本各向同性的胶体颗粒预设四面体配位连接方式，能定量预判并稳定做出立方金刚石、双金刚石、闪锌矿、双闪锌矿这几类金刚石家族胶体晶体，还建立了对应的定量模型和相图，不再靠试错摸索组装条件。
研究难点
普通球形胶体颗粒是各向同性的，没有天然定向键合能力，没法自主形成金刚石晶格需要的四面体配位、固定连接网络；过去很多方案要么结构单一、可控性差，要么没法提前预测最终长成哪一种晶格，组装结果随机性很强，很难批量获得不同类型的金刚石家族胶体晶体。
核心原理
这套几何编程连接性的核心，就是不靠修改胶体颗粒本身形状，而是用四面体 DNA 折纸框架做约束：
- 把 DNA 修饰的金纳米胶体颗粒封装进四面体 DNA 折纸内部；
- 四面体框架的 4 个开放面，在胶体颗粒表面划定出 4 块三角形绑定区域，天然形成四面体配位位点；
- 通过调整 DNA 连接子的长度、刚性，控制颗粒之间能发生结合的位置，也就是 “编程” 整个组装网络的连接性；
- 搭建几何硬接触模型，输出 DNA 连接子参数、配位区间、晶格对称性三者的定量相图，实现先设计、再预判组装产物。
实验实现成果
- 成功组装 4 种金刚石家族胶体晶体：立方金刚石、双金刚石、闪锌矿、双闪锌矿
- 可以通过参数调整切换目标晶格，组装结果具备可预测性
- 成果发表在《Journal of the American Chemical Society》（JACS）
应用价值
金刚石型胶体晶体是光子晶体的重要候选材料，拥有光子带隙潜力。这套几何编程连接性方法拓展了 DNA 纳米技术和胶体自组装的设计思路，后续有机会用来制造新型光调控材料、超材料。
【常见问题】
问题 1：什么是几何编程连接性，它在金刚石家族胶体晶体组装里起到什么作用？
回答 1：几何编程连接性是一种借助 DNA 折纸空间限域来预设胶体颗粒键合位点、控制颗粒之间连接网络的策略，它可以给原本无方向的球形胶体颗粒编码四面体配位模式，是实现金刚石家族胶体晶体可预测组装的核心手段。
问题 2：几何编程连接性方案和传统胶体金刚石组装方法差别在哪？
回答 2：传统方法大多依赖补丁颗粒形状或者特殊相互作用，很难提前预判产物；几何编程连接性不改造胶体颗粒本体形状，靠 DNA 折纸框架做几何约束，搭配定量相图，能够预先设计、定向得到不同种类的金刚石家族胶体晶体。
问题 3：利用几何编程连接性，可以组装出哪些金刚石家族胶体晶体？
回答 3：该课题组借助这套几何编程连接性策略，已经在实验上实现立方金刚石、双金刚石、闪锌矿、双闪锌矿这四类金刚石家族胶体晶体的组装。
【参考资料】
[2026-11-10]（上海交大变革性分子前沿科学中心姚广保课题组通过几何编程连接性实现金刚石家族胶体晶体的可预测组装）上海交通大学新闻学术网
[2026-11-05]（Geometry-Programmed Connectivity Enables Predictive Assembly of Diamond-Family Colloidal Crystals）ACS Publications（JACS）
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