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“反向設計”自發自組裝材料

2017-05-12 10:28:55 作者：本網整理來源：材料科技在線分享至：

Texas大學Austin分校的研究人員正在探索具有最新優化策略的分子模擬如何才能創造出一種更加系統的發現新材料的方法，這些新材料具有特殊的性質。

具體來說，通過將設計目標重塑成微觀結構，探索組成顆粒之間的哪些相互作用可以使它們自發地“自組裝”成具有特定性質的散裝材料。本周的“化學物理學雜志”報道，為了找到答案，他們把研究聚焦在復合顆粒如何在空間上組裝起來。

McKetta化學工程系教授Thomas Truskett表示：“我們的技術靈感來自于一個非常各異的研究領域：生物分子的建模和仿真。該領域的專家已經開發了一系列工具，使用分子模擬來‘學習’哪些簡化模型的相互作用可以產生生物大分子復雜的結構性質。”

他們認識到這種建模方法可以用于識別能夠自發地自組裝成復雜結構的簡單的顆粒間相互作用。

Truskett說：“自組裝是粒子（如原子和分子）自發組裝成復雜的多維結構的現象。‘冷凍水結晶’是一個日常的例子，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化學工程系博士后研究員Ryan Jadrich說：“[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，因為它們的相互作用是高度可調的。通過仔細調整膠體顆粒相互作用，我們可以對微觀組織細節進行前所未有的控制，從而大大影響散裝材料的性能。”

多年來，前瞻性設計一直是工程自組裝的實際方法Truskett說：“簡而言之，前瞻性設計相當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期的材料。研究人員的直覺有助于加速研制出所需材料的過程，但從時間成本來說，這種方法是昂貴的，需要一定程度的運氣或巨大的費用。”

反向設計，該小組的工作目標，實際上是逆向的嘗試這個問題。Jadrich說：“研究人員做了他們所擅長的工作：設想新的以及有用的顆粒結構；電腦做它們擅長的：解決復雜的優化問題。”根據Truskett的說法，新的反向設計方法的主要優點之一是它提供了一個高度通用的框架，可以用于“快速定位”結晶或流體材料的自組裝。他說：“由于相關數據自然地從迭代的模擬驅動框架中出現，因此這一方法‘學習’它所需的一切，一個有趣的推論是，沒有預編譯的輔助信息數據庫是必需的，盡管這樣的數據存儲庫是早期晶體反向設計方法的不利前提。”