Texas大學(xué)Austin分校的研究人員正在探索具有最新優(yōu)化策略的分子模擬如何才能創(chuàng)造出一種更加系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)新材料的方法，這些新材料具有特殊的性質(zhì)。

    具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)將設(shè)計(jì)目標(biāo)重塑成微觀結(jié)構(gòu)，探索組成顆粒之間的哪些相互作用可以使它們自發(fā)地“自組裝”成具有特定性質(zhì)的散裝材料。本周的“化學(xué)物理學(xué)雜志”報(bào)道，為了找到答案，他們把研究聚焦在復(fù)合顆粒如何在空間上組裝起來(lái)。

    McKetta化學(xué)工程系教授Thomas Truskett表示：“我們的技術(shù)靈感來(lái)自于一個(gè)非常各異的研究領(lǐng)域：生物分子的建模和仿真。該領(lǐng)域的專家已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一系列工具，使用分子模擬來(lái)‘學(xué)習(xí)’哪些簡(jiǎn)化模型的相互作用可以產(chǎn)生生物大分子復(fù)雜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。”

    他們認(rèn)識(shí)到這種建模方法可以用于識(shí)別能夠自發(fā)地自組裝成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單的顆粒間相互作用。

    Truskett說(shuō)：“自組裝是粒子（如原子和分子）自發(fā)組裝成復(fù)雜的多維結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。‘冷凍水結(jié)晶’是一個(gè)日常的例子，水分子在特定的外部條件下的排列方式由它們的相互作用或作用力決定。”

    為了擴(kuò)大自組裝的可能性，該小組研究了另一類稱為“膠體”的顆粒，其通常指懸浮在流體中的較大分子或納米顆粒。 

     McKetta化學(xué)工程系博士后研究員Ryan Jadrich說(shuō)：“[膠體]的自組裝非常有趣，并且與其較小的原子和分子是不同的，因?yàn)樗鼈兊南嗷プ饔檬歉叨瓤烧{(diào)的。通過(guò)仔細(xì)調(diào)整膠體顆粒相互作用，我們可以對(duì)微觀組織細(xì)節(jié)進(jìn)行前所未有的控制，從而大大影響散裝材料的性能。”

    多年來(lái)，前瞻性設(shè)計(jì)一直是工程自組裝的實(shí)際方法Truskett說(shuō)：“簡(jiǎn)而言之，前瞻性設(shè)計(jì)相當(dāng)于制造具有新的相互作用的顆粒，然后檢查它們是否能組裝成預(yù)期的材料。研究人員的直覺(jué)有助于加速研制出所需材料的過(guò)程，但從時(shí)間成本來(lái)說(shuō)，這種方法是昂貴的，需要一定程度的運(yùn)氣或巨大的費(fèi)用。”

    反向設(shè)計(jì)，該小組的工作目標(biāo)，實(shí)際上是逆向的嘗試這個(gè)問(wèn)題。Jadrich說(shuō)：“研究人員做了他們所擅長(zhǎng)的工作：設(shè)想新的以及有用的顆粒結(jié)構(gòu)；電腦做它們擅長(zhǎng)的：解決復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題。”根據(jù)Truskett的說(shuō)法，新的反向設(shè)計(jì)方法的主要優(yōu)點(diǎn)之一是它提供了一個(gè)高度通用的框架，可以用于“快速定位”結(jié)晶或流體材料的自組裝。他說(shuō)：“由于相關(guān)數(shù)據(jù)自然地從迭代的模擬驅(qū)動(dòng)框架中出現(xiàn)，因此這一方法‘學(xué)習(xí)’它所需的一切，一個(gè)有趣的推論是，沒(méi)有預(yù)編譯的輔助信息數(shù)據(jù)庫(kù)是必需的，盡管這樣的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)是早期晶體反向設(shè)計(jì)方法的不利前提。”

    他們?cè)谟?jì)算上組裝了一些直觀有趣的顆粒結(jié)構(gòu)，其中包括“瑞士奶酪”。

    Truskett說(shuō)：“在這種情況下，我們發(fā)現(xiàn)了促使顆粒自組裝成一個(gè)球形孔（即孔或腔）的相互作用，值得注意的是，這些孔順序排成晶體排列，而較小的‘真實(shí)’顆粒保持在無(wú)序的流體狀態(tài)下滲透到孔周圍。”

    根據(jù)Jadrich的說(shuō)法，盡管反向設(shè)計(jì)是一個(gè)相對(duì)年輕而活躍的研究領(lǐng)域，但目前已經(jīng)有了一個(gè)普遍而實(shí)用的框架。逆向設(shè)計(jì)是科學(xué)學(xué)科新興趨勢(shì)的一部分，科學(xué)學(xué)科使用計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)和統(tǒng)計(jì)推斷來(lái)加速發(fā)現(xiàn)。

    他說(shuō)：“反向設(shè)計(jì)促使在電腦上發(fā)現(xiàn)比以前更復(fù)雜的材料，并且我們認(rèn)為這種趨勢(shì)會(huì)持續(xù)下去。這樣的工具不會(huì)很快取代研究人員，但是能使研究人員專注于需要?jiǎng)?chuàng)意設(shè)計(jì)的其他更有趣的任務(wù)。這項(xiàng)工作相當(dāng)于是測(cè)試微小的細(xì)節(jié)，尋找模式或進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，現(xiàn)在可以用自動(dòng)化解決。”

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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