物理學(xué)家模仿生物學(xué)將粒子自組裝提升到新水平
美國物理學(xué)家創(chuàng)造了一種自組裝粒子的新方法,這一進(jìn)步為在微觀層面構(gòu)建復(fù)雜和創(chuàng)新材料開辟了新途徑。這一發(fā)表在《自然》雜志上的新突破,主要集中在乳液(浸入水中的油滴)及其在折疊體自組裝中的應(yīng)用,這些獨特的形狀理論上可從液滴相互作用的序列中預(yù)測出來。
自組裝于2000年代初推出,為科學(xué)家提供了一種“預(yù)編程”粒子的方法,允許在沒有進(jìn)一步人工干預(yù)的情況下建造材料。 顯微鏡圖像顯示,由黏性DNA鏈介導(dǎo)的藍(lán)—藍(lán)、藍(lán)—黃、黃—黃相互作用,一串交替的藍(lán)色和黃色液滴折疊成皇冠幾何形狀。微觀液滴被編程為通過黏性DNA鏈相互作用,以獨特地折疊成明確定義的形狀。 該圖顯示了具有不同DNA鏈的液滴(粒子)如何首先組合成鏈,然后按照編程折疊成特定的幾何形狀,類似于蛋白質(zhì)折疊!暗靥骸蓖怀隽肆垠w鏈折疊成多四面體的一條折疊路徑。放大圖顯示了DNA雙螺旋的形成如何驅(qū)動液滴-液滴結(jié)合。 自組裝過程借鑒了生物學(xué)領(lǐng)域,使用膠體模擬蛋白質(zhì)和RNA的折疊。研究人員此次在水中創(chuàng)造了微小的油基液滴,其具有一系列DNA序列,可作為組裝“指令”。這些液滴(粒子)首先組裝成柔性鏈,然后通過黏性DNA分子根據(jù)預(yù)編程的相互作用折疊,再引導(dǎo)鏈通過復(fù)雜的路徑形成獨特的幾何形狀,產(chǎn)生了十幾種類型的折疊塊,可編碼形狀“庫”中600種可能的幾何形狀的一半以上,為進(jìn)一步組裝成更大規(guī)模的材料開辟了道路。 紐約大學(xué)物理系教授杰思娜·布魯基奇解釋說,與每一塊都不同的拼圖游戲不同,研究過程僅使用兩種類型的粒子,這大大減少了編碼特定形狀所需的構(gòu)建塊的種類。新方法的創(chuàng)新性在于使用了類似蛋白質(zhì)折疊的方式,但長度比蛋白質(zhì)長1000倍,它不需要大量構(gòu)建塊來編碼精確的形狀,只需要少數(shù)幾個,因為每個塊都可采用多種形式。 布魯基奇說,能夠?qū)δz體結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)編程,為人們提供了創(chuàng)造具有復(fù)雜和創(chuàng)新特性的材料的方法。新研究展示了如何創(chuàng)造數(shù)百種自組裝幾何形狀,為創(chuàng)造下一代材料提供了新的可能性。 |