Texas大學(xué)Austin分校的研究人員正在探索具有最新優(yōu)化策略的分子模擬如何才能創(chuàng)造出一種更加系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)新材料的方法，這些新材料具有特殊的性質(zhì)。

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

    McKetta化學(xué)工程系教授Thomas Truskett表示：“我們的技術(shù)靈感來自于一個非常各異的研究領(lǐng)域：生物分子的建模和仿真。該領(lǐng)域的專家已經(jīng)開發(fā)了一系列工具，使用分子模擬來‘學(xué)習(xí)’哪些簡化模型的相互作用可以產(chǎn)生生物大分子復(fù)雜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。”

    他們認(rèn)識到這種建模方法可以用于識別能夠自發(fā)地自組裝成復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(fā)組裝成復(fù)雜的多維結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。‘冷凍水結(jié)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(xué)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(diào)的。通過仔細(xì)調(diào)整膠體顆粒相互作用，我們可以對微觀組織細(xì)節(jié)進(jìn)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(shè)計一直是工程自組裝的實際方法Truskett說：“簡而言之，前瞻性設(shè)計相當(dāng)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(yù)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(shè)計，該小組的工作目標(biāo)，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(shè)想新的以及有用的顆粒結(jié)構(gòu)；電腦做它們擅長的：解決復(fù)雜的優(yōu)化問題。”根據(jù)Truskett的說法，新的反向設(shè)計方法的主要優(yōu)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(jié)晶或流體材料的自組裝。他說：“由于相關(guān)數(shù)據(jù)自然地從迭代的模擬驅(qū)動框架中出現(xiàn)，因此這一方法‘學(xué)習(xí)’它所需的一切，一個有趣的推論是，沒有預(yù)編譯的輔助信息數(shù)據(jù)庫是必需的，盡管這樣的數(shù)據(jù)存儲庫是早期晶體反向設(shè)計方法的不利前提。”

    他們在計算上組裝了一些直觀有趣的顆粒結(jié)構(gòu)，其中包括“瑞士奶酪”。

    Truskett說：“在這種情況下，我們發(fā)現(xiàn)了促使顆粒自組裝成一個球形孔（即孔或腔）的相互作用，值得注意的是，這些孔順序排成晶體排列，而較小的‘真實’顆粒保持在無序的流體狀態(tài)下滲透到孔周圍。”

    根據(jù)Jadrich的說法，盡管反向設(shè)計是一個相對年輕而活躍的研究領(lǐng)域，但目前已經(jīng)有了一個普遍而實用的框架。逆向設(shè)計是科學(xué)學(xué)科新興趨勢的一部分，科學(xué)學(xué)科使用計算機學(xué)習(xí)和統(tǒng)計推斷來加速發(fā)現(xiàn)。

    他說：“反向設(shè)計促使在電腦上發(fā)現(xiàn)比以前更復(fù)雜的材料，并且我們認(rèn)為這種趨勢會持續(xù)下去。這樣的工具不會很快取代研究人員，但是能使研究人員專注于需要創(chuàng)意設(shè)計的其他更有趣的任務(wù)。這項工作相當(dāng)于是測試微小的細(xì)節(jié)，尋找模式或進(jìn)行復(fù)雜的計算，現(xiàn)在可以用自動化解決。”

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