在納米尺度「鋪地磚」，製造納米器件的全新方法

你是否觀察過公園地磚是如何鋪滿地面的？鑲嵌是非常有趣的數學問題，不僅出現在我們的生活中，也是科學研究的一個熱點。最近科學家通過模擬，證實可以讓粒子在納米尺度自發地形成叫做「阿基米德鋪砌」的結構。這項技術將有助於製造未來的納米器件。

粒子按上圖的排列自組裝

研究人員首次模擬出粒子可以自發地自組裝成叫做「阿基米德鋪砌」（Archimedean tilings）的幾何網格。實現這種結構的關鍵是稱為「最小主動設計」（minimal positive design）的策略，需要考慮粒子的幾何結構和化學選擇性。該方法具有分子自組裝方面的應用價值，未來或許可以應用於多種納米技術。論文作者Stephen Whitelam來自美國勞倫斯伯克利國家實驗室，論文發表在最近的《物理評論快報》上。

此前，研究人員已經成功地讓粒子自組裝成柏拉圖鑲嵌（Platonic tilings），這是由單一形狀（如正方形、三角形或六邊形）的構成的周期性排列。為此，研究人員使用一種稱為「正設計」（positivedesign）的策略，基於粒子的幾何形狀來實現所需的結構。當把粒子放在一起並將其冷卻時，由於化學、物理和熱力學上的相互作用，它們會自發地自組裝成柏拉圖鑲嵌。

實現柏拉圖鑲嵌的下一個最簡單的目標就是讓粒子自組裝成為阿基米德鋪砌，但這要困難得多。阿基米德鋪砌由兩個或三個不同的形狀組成，並且只有一種類型的頂點（它們的交點看起來相同，具有相同的角度）。阿基米德鋪砌具有八種類型，新的設計策略可以實現所有這些構造。

這個方法的新穎之處在於「最小」，與化學選擇性有關。Whitelam發現，在期望結構中，如果確定所有的粒子間相互作用，然後選擇只有某種只參與某些特定相互作用的粒子，然後經過簡單的冷卻方法，粒子就能自組裝成想要的結構。該策略的「積極」方面是它通過促進期望的結構來實現目的，並且不需要抑制其他不需要的結構。

其他研究人員已經通過模擬證明，僅僅具有正確的幾何不一定能自組裝成想要的結構。而Whitelam的工作證實了這一事實，並且證明化學選擇性（chemical selectivity）對實現期望的結構至關重要，即粒子只通過特定的相互作用結合，從而避免產生錯誤的結構。

「結果表明，要實現特定的自組裝結構，你需要具有『化學特異性』的相互作用，」Whitelam說。「我想寫一篇文章，討論對粒子進行『編程』需要多少信息才能得到想要的結構。」

有趣的是，化學選擇性也用於控制生物分子（例如蛋白質和DNA）間的相互作用。

「這個結果的一個方面已經廣為人知：使用DNA納米技術的研究人員通常使用DNA介導的化學特異性相互作用，可以製造出比阿基米德鋪砌更複雜的結構，」Whitelam說。「令我驚訝的是，即使對於阿基米德鋪砌（最簡單的半正鑲嵌之一），你也需要這個方法，並且這就是所需要的全部。也就是說，化學特異性是必要且充分的。我想強調這一事實的原因是，阿基米德鋪砌與化學特異性的聯繫看起來並不明顯。」

「研究人員希望能夠控制表面分子的圖案有幾個原因，」Whitelam說。「一個原因是，如果可以控制表面上的成分以及構造，那就可以改變表面的化學和物理性質。另一個原因是二維網格可以用於放置其他分子：想像將顆粒（例如金屬納米顆粒，在下一代電子設備中具有潛在應用價值）放置在網格的孔隙中。控制這些顆粒的相對位置非常重要。」

伯克利分子實驗室（The Molecular Foundry at Berkeley Lab）是美國能源部用於納米科學的地方。Whitelam計劃與該實驗室的其他科學家進行合作。

「我的目標以這項工作為基礎上，與研究DNA相關的科學家進行納米科學相關的研究，」他說。 「我們希望研究如何用這些分子製造出新的納米結構。」

編輯：嚴寒

鏈接：http://phys.org/news/2016-12-particles-self-assemble-archimedean-tilings.html