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未來納米材料設計:進化與計算的結合



2013-12-31 09:26:57      進入論壇      來源:轉載


?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并付諸于嘗試法,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堿基對的結合,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),并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,并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復雜。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:“遺傳算法是自然如何設計復雜的分子和生物,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。然后我們運行基因算法,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,這些能與遺傳算法一起用于晶體晶格設計。”

?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‘無機晶體結構數據庫(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,可以擴展用于先進材料合理設計,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,將被用于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。”

?推廣起來并不難

?傳統上,研究中所用的愛迪生法涉及到采用一種系統,再檢驗它的屬性;而更好的替代方案是瞄準一套屬性,然后在此基礎上設計最恰當的系統。研究人員說,用遺傳算法來設計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,為科學家們提供新范式來增加思路,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、涂料、清漆,到個人用的香波。”溫卡塔薩布拉曼尼亞說。


責任編輯:祁凱琳

 

 
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