未來納米材料設計：進化與計算的結合

2013年12月31日 07:47
來源：中國科技網

本報記者常麗君綜合外電

材料設計領域通常遵守所謂的「愛迪生法」，其實這是指一個不斷嘗試錯誤，直至找到正確答案的過程，而不是一種系統的理論方法。有人認為，愛迪生利用當時的理論並付諸於嘗試法，是因為當時沒有合適的理論。而更好的方案應該是一種先驗的方法，即提前把想要的材料屬性、相應的結構設計確定下來。相關論文發表在最近的美國《國家科學院院刊》上。

最近，哥倫比亞大學化學工程系與布魯克海文國家實驗室（BNL）科學家合作，開發出一種新的設計方法：把帶有單鏈DNA（ssDNA）接頭的膠體通過互補鹼基對的結合，自行拼接組裝在一起，這種DNA雜交會形成有序的膠體晶體，以此可以得到想要的納米結構材料。

將設計框架反過來

「DNA拼接納米粒子的設計很有挑戰性，因為許多實驗參數在自組裝中起著關鍵作用。」哥倫比亞大學溫卡特·溫卡塔薩布拉曼尼亞教授說，「參數空間會變得很大，有很多局部極小值限制，要用嘗試法找到參數空間是非常困難的。」遺傳演算法（GA）則是逆向設計框架，模仿了自然選擇的過程，能更系統地搜尋參數空間，使設計過程更有效率。

另一挑戰是可靠的推演模型。研究人員從模擬時間、DNA屬性、斥力作用和熵限制等多方面考慮，選擇了更簡單的互補接觸模型（CCM），並在模型中加入了新參數，如熵貢獻和斥力作用，以使它更完善適用。「CCM在捕捉實驗觀察主體方面非常成功，能很快算出有效的GA耦合，並在幾分鐘內對所要求的設計參數做出預測。」溫卡塔薩布拉曼尼亞說，「膠體大小比例、每個納米粒子中的DNA接頭的數量、想要的晶體結構等，讓設計問題變得極為複雜。這些問題很難通過傳統途徑，如嘗試、啟發、數學規劃等方法來解決。」

關鍵的創新是將設計框架反過來，更有效地利用CCM推演模型的信息，與遺傳演算法相結合，這樣就得到一個高效而且可升級的最優化設計程序。溫卡塔薩布拉曼尼亞說：「遺傳演算法是自然如何設計複雜的分子和生物，本質上，我們是讓DNA拼接參數『基因庫』朝向我們想要的結構演化發展——也就是『最適合的』。」

檢驗過程中的意外發現

對方法的實驗檢驗是另一個挑戰。哥倫比亞大學薩那特·庫瑪說：「我們決定先預測那些實驗中已經觀察到的納米晶體結構，測試一下方法框架；下一步，我們創造了一個晶體結構庫，包括那些已通過實驗獲得的晶體——具有特定的相關實驗參數，如DNA納米粒子中的DNA連接比例、大小等。然後我們運行基因演算法，用CCM作為推演模型，以得到實驗中觀察到的晶體結構。我們很高興，遺傳演算法正確地預測出了實驗參數，用這些參數就能造出我們觀察到的結構。」

「初步實驗研究顯示，改良模型與實驗結果吻合得更好。」論文第一作者芭比·斯里尼瓦桑說，「最近我們進行了一次全面分析，利用開發的模型，能確定所有230種不同的晶體空間集合，這些能與遺傳演算法一起用於晶體晶格設計。」

模型還產生了意外的結果，他們的發現解釋了4種最近未能觀察到的結構。「在由『無機晶體結構資料庫（ICSD）』生成的晶格庫中，我們能識別出一些參數，這些參數能形成那些實驗室里曾觀察到的晶體結構，還可能形成了不曾觀察到的4種新結構。」斯里尼瓦桑說，「這些結果在設計DNA拼接納米材料方面起著關鍵作用。」這一框架是普遍性的，可以擴展用於先進材料合理設計，但它又與分子動態模型不同，推演路徑模型在計算上是高效的。「我們加強了CCM法，這有可能幫我們窮盡整個晶體空間，找到合適的設計結構。」

除了球形的ssDNA拼接納米粒子，還可以進行其他創新。研究小組與布魯克海文國家實驗室合作，引入了不同形狀的外部圖案。「不同的形狀讓我們能控制粒子之間的互動距離和大小，產生球形粒子無法形成的晶格。我們已經開發出一些方案，能設計出多種納米晶體的晶格。」庫瑪說，「目前的研究集中在開發以熵為基礎的模型，且能唯一確定DNA拼接納米材料的晶格。經實驗驗證了這一模型后，將被用於GA框架的合理設計。我們打算將合理設計策略擴展到有外部圖案的晶體結構中。」

推廣起來並不難


傳統上，研究中所用的愛迪生法涉及到採用一種系統，再檢驗它的屬性；而更好的替代方案是瞄準一套屬性，然後在此基礎上設計最恰當的系統。研究人員說，用遺傳演算法來設計ssDNA拼接粒子，這些粒子可以組裝成人們想要的結構。他們這種方法很容易推廣，速度快而且可選擇性強，能精確再現有關參數規格，而且能揭示那些觀察不到的結構。

雖然這些結構要通過實驗才能證明是否真的存在，但科學家們相信，這種方法有著廣闊的應用前景。這一研究也可能讓其他領域受益，為科學家們提供新範式來增加思路，拓寬研究視野。「我們的框架克服了這些難題，從某種意義上說，把達爾文進化模型與計算方法結合，我們正在影響著自然發現新材料的進程，可能引起材料設計的革命。我們日常生活中的各種產品，都可能受其影響，從藥物、殺蟲劑、除草劑、燃料添加劑、塗料、清漆，到個人用的香波。」溫卡塔薩布拉曼尼亞說。