Nature子刊：像「樂高積木」一樣輕鬆組裝納米超結構

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近年來，將基本的結構單元組裝成超結構（superstructures）吸引了科學家們廣泛的興趣，這不僅可以加深我們對生物體系自組裝過程的理解，還能得到具有增強和協同的光、電、力、磁性質的新材料，而這些材料在藥物運載、光電技術、化學感測器、能源儲存及催化領域有著重要用途。目前而言，基於粒子組裝成超結構的方法主要有界面組裝（interfacial assembly）、層層組裝（layer-by-layer assembly）、配體驅動組裝（ligand-driven assembly）、蒸發組裝（evaporation assembly）以及DNA組裝（DNA-based assembly）。然而，這些組裝方法依賴於粒子間高度特異性的相互作用，即只能針對個例粒子（case-by-case）進行組裝，這極大限制了超結構的合成和應用。

納米對象由於太微小而難以操作，並且往往因不相容的表面而難以組裝成有序的結構。相比而言，用樂高搭建比較複雜的形狀則容易的多，這種塑料積木一面有凸起，另一面有可嵌入這些突起的凹槽，可以保證按照需要將不同積木接合在一起，從而拼插出變化無窮的造型，令人愛不釋手（如下圖）。

樂高積木。圖片來源：Google

日前，受此啟發，由澳大利亞墨爾本大學（University of Melbourne）教授、澳大利亞科學院院士Frank Caruso開發出一種新的納米工程技術，可以將納米顆粒轉變為「樂高積木」一樣的標準模塊，從而組裝成多種形狀的超結構納米材料。利用這種簡單且通用的方法，科學家已成功將15種有代表性的材料組裝成不同形狀、大小和功能的新材料。相關成果發表於Nature Nanotechnology上。（Modular assembly of superstructures from polyphenol-functionalized building blocks.Nat. Nanotech., 2016, DOI: 10.1038/NNANO.2016.172）

Frank Caruso教授。圖片來源：University of Melbourne

這種通用的組裝方法包括兩個步驟，第一步是將多酚基團修飾在各種納米粒子的表面，構建成「樂高積木」模塊（building blocks）單元。由於多酚能通過共價和非共價作用與各種各樣的表面進行強烈的結合，因而這種修飾並不依賴於粒子表面的化學基團。

將多酚修飾於不同形狀的粒子表面，構建成「樂高積木」模塊。圖片來源：Nat. Nanotech.

第二步是基於金屬配位，通過界面分子間作用力和粒子間的互鎖作用（interlocking）將模塊組裝在模板（templates）的表面，再將模板去除，最終得到超結構材料。

將模塊、模板和金屬離子組裝成超結構。圖片來源：Nat. Nanotech.

接著，研究人員進一步對組裝機理進行了深入研究。他們採用原子力顯微鏡研究發現，模塊與模板之間的吸引力是組裝的主要驅動力，而模塊粒子間的排斥力-吸引力的動態平衡導致了粒子間的互鎖作用。研究人員還採用分子動力學模擬（molecular dynamic simulation）得出這種吸引力來自於模塊表面的多酚基團與模板聚苯乙烯之間的芳香環的相互作用。

分子動力學模擬模塊與模板界面間的相互作用。圖片來源：Nat. Nanotech.

這種方法的通用性使得研究人員能夠將15種不同尺寸、形狀、組分及功能的代表性的材料（如聚合物納米粒子、金屬氧化物納米粒子及納米線、貴金屬納米粒子、上轉換納米粒子、配位聚合物納米線、納米片、納米籠以及細胞）轉化為模塊，並成功將其組裝成三維的超結構材料。值得一提的是，將細胞組裝成超結構，將極有利於可攜帶的細胞培養技術、細胞治療及組織重建的發展。

模塊組裝超結構的通用性。圖片來源：Nat. Nanotech.

Frank Caruso教授提到：「我們採用類似樂高積木的策略，先採用通用的粘合材料（多酚）將粒子轉換為帶有嵌條和嵌槽的模塊，然後將它們圍繞著模板組裝在一起，而採用的模板將決定超結構的最終形狀。以前的組裝方法受限於特定的顆粒，而這種新方法可以將各種各樣的顆粒組裝成超結構。」

http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2016.172.html

（本文由冰供稿）

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