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DNA是纳米材料么?

已有 10354 次阅读 2017-6-14 08:42 |个人分类:纳米粉体|系统分类:论文交流

生物基因遗传密码DNA是纳米材料么?可以肯定DNA是纳米材料,很多人在迷惑DNA螺旋结构。但是忽视了一个重要的特征,DNA的尺寸大小是在纳米特征尺度范围内。它能承担遗传的重担,正是因为它是与单分散性的纳米材料有相同的特性。而且只有纳米特征尺度下才具有遗传稳定性。

我们提出了纳米特征尺度的概念,指出纳米材料的热力学定义是指一维小于纳米特征尺度的材料,而且其尺寸并不是固定于100nm。

DNA螺旋直径近似在2nm,存在与纳米材料一样的纳米量子效应,双螺旋直径约2nm;螺旋一周螺距约为3.4nm;DNA属于在横向和纵向三维都有量子驻波效应的纳米材料。这点与碳纳米管有点像(关于这那这点讨论可见五年前的我的博文)。而其长度增长后为了维持稳定,必然出现螺旋。DNA的解链和再次复制可以依据单分散纳米材料必然对称性生长来降低其外围电子能级实现稳定来解释。

而在纳米特征尺度以下的维度方向上,材料结构内部原子的外围电子形成量子力学驻波储能,可以降低纳米材料界面处的电子能级而实现结构稳定,结合热力学定律,此时的纳米尺度材料都会依据此原理聚合或者反应。而形成驻波需要的是相反方向的近似对称结构,此时并不需要两者组成一致,而是形成纳米特征尺度下不同原子的外围电子的隧道效应产生的量子波形成驻波,是使其化学结构稳定条件。而且表观上,显示出DNA发生了有序自组装,这被很多研究者认为是生物材料逆热力学第二定律,其实没有违背,正是在纳米特征尺度下,为了实现将能量降低,才实现对称性有序组装,这一组装在宏观结构上必须近似对称,在微观上必须保证量子驻波的实现。

所以DNA本身也属于纳米团簇材料的领域,在纳米尺度上量子波传递能量极其有效,我们计算接近100%,但是其有序自组装本身还是按照热力学第二定律进行的,也并不违反热力学第二定律。

题外话:饶毅老师是我非常尊敬的老师,但是生物学研究者把生物自组装认为是逆热力学第二定律,最近在给北大的学生讲话中,也提到这一点,实际我认为这是一种误解,把DNA视为纳米材料后,可以看到其完全遵守热力学第二定律。当然这也是SCIENCE杂志提出的21世纪125大科学问题之一。







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