Science前沿：世界上最复杂的微粒——超越自然复杂性的合成物-集智俱乐部的财新博客-财新网

导语

复合生物材料和生物矿化颗粒的结构复杂性，是由于无机结构在多尺度的层次性，但其深层的物理化学机制尚不明确。4 月 10 日的最新一期 Science 刊发了一篇由密歇根大学等机构的研究者完成的工作，这项研究利用图论方法，得到了一种新的纳米微粒，它具有超过已知生物或其他自然微观结构的复杂性。

一个由密西根大学领导的国际科研团队制造出了新的合成粒子，金-半胱氨酸（gold-cysteine nanosheets， Au-Cys）。并且他们发现这种粒子的复杂程度远超过自然界存在的天然物质。研究者进一步分析了这种复杂性的成因，并且设计出了一套测量指标。

这一研究的结果有助于制造类似油漆那样的更为稳定的固液混合物；也适用于探索新的弯曲光线的手段，进而应用于全息投影技术。该研究发表在 4 月 10 日的《Science》期刊上。

论文题目：

Emergence of complexity in hierarchically organized chiral particles

论文地址：

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/04/08/science.aaz7949

这种几微米、或者几毫米大复杂粒子小球由许多扭曲的毛刺构成。

在纳米、微米这个尺度上，生物学绝对是一位能工巧匠。植物花粉、免疫细胞、已经现在令你头痛的病毒都是它的杰作。天然生成的最复杂的粒子是一个针尖大的颗石藻（coccolithophores）。

图1：颗石藻（coccolithophores）| 图片来源：维基百科

颗石藻的直径只有几个微米，这种藻类以善于在自己的身边建造复杂精巧的碳酸钙外壳而引人侧目。为了研究这种颗粒的生成原理，科学家会试图在实验室中制造这种外壳。但到目前为止，并没有明确的方法来衡量结果的复杂性。

这项研究的负责人，密西根大学工程学教授 Nicholas Kotov、Joseph B. 和 Florence V. Cejka 表示：数字统治着这个世界，并且有能力去描述这种带刺的结构。只要数字可以刻画这种复杂性，我们就可以利用人工智能与机器学习这些新工具来帮助我们设计纳米粒子。

该团队由巴西圣卡洛斯联邦大学、巴西圣保罗大学、加利福尼亚理工学院和宾夕法尼亚大学的研究人员组成。这些研究者们要利用新的框架来证明他们制作出的粒子比颗石藻更加复杂。

其中，巴西圣卡洛斯联邦大学化学教授 André Farias de Moura 领导的计算小组主要研究粒子的量子特性和作用在这些纳米级粒子上的力。

左右手螺旋对称——手性可能是粒子复杂性产生的来源。在纳米尺度下，研究者把半胱氨酸涂抹在硫化金箔上。这样就通过氨基酸引入了手性，一种能促使金箔顺时针折叠，另一种则会让金箔逆时针折叠。研究者就通过这种方式作出金-半胱氨酸（gold-cysteine nanosheets， Au-Cys）粒子。

研究者用涂有相同手性的半胱氨酸的金箔组装在一起，做出了一个“刺球”。这个“刺球”是该研究项目做出的复杂性最高的粒子。

图2：复杂性最高的“刺球”（Au-L-Cys），它可以吸收紫外线，并且能扭曲可见光 | 图片来源：Wenfeng Jiang, Kotov Lab, University of Michigan

该团队还实现了其他组合，如果同时使用两种类型的手性分子就能得到一个中等复杂程度的“皮艇”，而不再是一个球。

图3：一个中等复杂程度的“皮艇” | 图片来源：Wenfeng Jiang, Kotov Lab, University of Michigan

此外，研究者也使用带电分子来来突破原子间的排斥力，从而构建直径超过几百纳米的粒子。

材料科学、高分子科学与工程学教授 Kotov 说：“这些物理定律经常互相冲突，纳米例子之所以呈现出复杂性，就是因为他们要满足左右的定律。”

这种复杂性是有用处的。在纳米尺度下，花粉颗粒上的有突起，这些尖刺能避免他们粘连在一起。与之类似，研究者所研制出的粒子上的突起几乎能让这些粒子溶于各种液体。这一发现非常有助于制作稳定的固液混合物（例如，油漆涂料）。

这些褶皱的突起也能吸收紫外线，并发射出被弯折过的光线或者圆偏振可见光。

弄清楚粒子发出的东西是研究中最困难的一部分——André Farias de Moura

通过实验和模拟的结果来看，紫外线射入了粒子的中心，因量子力学的作用发生转化，并且在穿过褶皱的突起时转化成了圆偏振可见光。

研究者确信，他们的发现能够帮助科学家设计出可以提高生物传感器、电子学和化学反应的效率的新粒子。

原文地址：

https://phys.org/news/2020-04-world-complex-microparticle-synthetic-outdoes.html

翻译：Leo

编辑：张爽

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