“反向设计”自发自组装材料

2017-05-12 10:28:55 作者：本网整理来源：材料科技在线分享至：

Texas大学Austin分校的研究人员正在探索具有最新优化策略的分子模拟如何才能创造出一种更加系统的发现新材料的方法，这些新材料具有特殊的性质。

具体来说，通过将设计目标重塑成微观结构，探索组成颗粒之间的哪些相互作用可以使它们自发地“自组装”成具有特定性质的散装材料。本周的“化学物理学杂志”报道，为了找到答案，他们把研究聚焦在复合颗粒如何在空间上组装起来。

McKetta化学工程系教授Thomas Truskett表示：“我们的技术灵感来自于一个非常各异的研究领域：生物分子的建模和仿真。该领域的专家已经开发了一系列工具，使用分子模拟来‘学习’哪些简化模型的相互作用可以产生生物大分子复杂的结构性质。”

他们认识到这种建模方法可以用于识别能够自发地自组装成复杂结构的简单的颗粒间相互作用。

Truskett说：“自组装是粒子（如原子和分子）自发组装成复杂的多维结构的现象。‘冷冻水结晶’是一个日常的例子，水分子在特定的外部条件下的排列方式由它们的相互作用或作用力决定。”

为了扩大自组装的可能性，该小组研究了另一类称为“胶体”的颗粒，其通常指悬浮在流体中的较大分子或纳米颗粒。

McKetta化学工程系博士后研究员Ryan Jadrich说：“[胶体]的自组装非常有趣，并且与其较小的原子和分子是不同的，因为它们的相互作用是高度可调的。通过仔细调整胶体颗粒相互作用，我们可以对微观组织细节进行前所未有的控制，从而大大影响散装材料的性能。”

多年来，前瞻性设计一直是工程自组装的实际方法Truskett说：“简而言之，前瞻性设计相当于制造具有新的相互作用的颗粒，然后检查它们是否能组装成预期的材料。研究人员的直觉有助于加速研制出所需材料的过程，但从时间成本来说，这种方法是昂贵的，需要一定程度的运气或巨大的费用。”

反向设计，该小组的工作目标，实际上是逆向的尝试这个问题。Jadrich说：“研究人员做了他们所擅长的工作：设想新的以及有用的颗粒结构；电脑做它们擅长的：解决复杂的优化问题。”根据Truskett的说法，新的反向设计方法的主要优点之一是它提供了一个高度通用的框架，可以用于“快速定位”结晶或流体材料的自组装。他说：“由于相关数据自然地从迭代的模拟驱动框架中出现，因此这一方法‘学习’它所需的一切，一个有趣的推论是，没有预编译的辅助信息数据库是必需的，尽管这样的数据存储库是早期晶体反向设计方法的不利前提。”