突破性進展:物理學家通過模仿生物學將粒子自組裝提高到新水平

一個物理學家團隊創造了一種新的自我組裝粒子的方式。這一進展為在微觀層面上構建複雜和創新的材料提供了新的希望。自組裝在21世紀初被引入,為科學家提供了一種 “預編程”粒子的手段,這使得材料的構建無需進一步的人為干預。這基本上相當於可以自行組裝的宜家傢具的微觀水平。

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9月28日,《自然》雜誌報道了這一突破,其核心是乳劑–浸在水中的液滴–以及它們在摺疊器自組裝中的應用。這些是獨特的形狀,可以從理論上預測出液滴相互作用的順序。

借用生物學領域的方法,自組裝過程模仿了使用膠體的蛋白質和RNA的摺疊。在《自然》雜誌的工作中,科學家們在水中創造了微小的油基液滴,擁有作為組裝”指令”的DNA序列陣列。這些液滴首先組裝成靈活的鏈條,然後通過粘性DNA分子依次摺疊。這種摺疊產生了十幾種類型的摺疊器,進一步的特異性可以編碼600種可能的幾何形狀中的一半以上。

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“能夠對膠體結構進行預編程,使我們有辦法創造出具有複雜和創新特性的材料,”Jasna Brujic解釋說。她是紐約大學物理系的一名教授,也是這項研究的研究人員之一。“我們的工作表明,數百種自組裝的幾何形狀可以被獨特地創造出來,為創造下一代材料提供了新的可能性。”

紐約大學物理系的博士后Angus McMullen,以及巴黎ESPI的Maitane Muñoz Basagoiti和Zorana Zeravcic也是這項研究的研究人員。

科學家們強調了該方法的反直覺性和開創性。與其需要大量的構建塊來編碼精確的形狀,其摺疊技術意味着只需要少量的構建塊,因為每個構建塊都可以採用各種形式。

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“與每塊都不同的拼圖不同,我們的過程只使用兩種類型的顆粒,這大大減少了編碼一個特定形狀所需的構建塊種類,”Brujic解釋說。“創新之處在於使用類似於蛋白質的摺疊方式,但長度尺度要大1000倍–大約是一縷頭髮的十分之一的寬度。這些顆粒首先結合在一起,形成一條鏈,然後根據預先編程的相互作用進行摺疊,引導鏈通過複雜的路徑進入一個獨特的幾何形狀。”

她補充說:“獲得形狀詞典的能力為進一步組裝成更大規模的材料開闢了道路,就像蛋白質在生物學中分層聚集以建立細胞區室一樣。”