美国能源部西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)、加州大学洛杉矶分校(University of California, Los Angeles)和华盛顿大学(University of Washington)的一个研究团队领导了一项新的合作研究，该研究可能为工程师们创造微电子、薄膜和组织提供新的设计规则，并为新材料开发更好的生产方法。与此同时，12月6日发表在《科学》(Science)上的这项研究，帮助支持了一个多世纪以来一直没有得到证实的科学理论。研究表明就像孩子们在课间休息后要按照规则排成一排一样，一些材料也要按照基本规则在表面上一次排成一行。核(形成的第一步)在自然和技术的有序结构中无处不在，从云滴到冰糖。
博科园-科学科普：然而尽管美国科学家j·威拉德·吉布斯(J. Willard Gibbs)在19世纪70年代做出了一些预测，但研究人员仍在争论这一基本过程是如何发生。这项新研究证实了吉布斯关于材料的理论。在西北西北大学研究生陈佳君的带领下，本研究揭示了其内在机制，填补了材料科学的基础知识空白，开辟了材料科学的新途径。
陈教授使用了一种叫做多肽的小蛋白质片段，这种蛋白质片段显示出对物质表面的特异性或独特的归属感。加州大学洛杉矶分校的合作者一直在识别并使用这种物质特异性肽作为控制剂来迫使纳米材料生长成特定的形状，例如催化反应或半导体器件中所需要的形状。研究小组是在研究一种特殊的肽(一种对二硫化钼有很强结合亲和力的肽)如何与这种材料相互作用时发现这一发现。
在这个高度有序的二维阵列中的肽通过一行一行的方式组装，避免了预期的成核障碍。图片：PNNL
太平洋西北实验室的材料科学家詹姆斯·德·约罗(James De Yoreo)说：这完全是意外的发现，我们没有料到这些肽会组装成它们自己高度有序的结构。加州大学洛杉矶分校(UCLA)材料科学与工程教授、联合通讯作者黄宇(Yu Huang)补充称，这可能是因为“这种肽是从分子进化过程中识别出来的，看来大自然的确找到了减少能源消耗和创造奇迹的方法。要把液态水转化为固态冰，就需要创造一个固态-液态界面。根据吉布斯经典成核理论，虽然把水变成冰可以节省能源，但创建界面却需要能源。最棘手的部分是初始阶段——也就是新冰粒子的表面积比体积大的时候，因此制造一个冰粒子所耗费的能量比节省的要多。
吉布斯的理论预测，如果这些材料能够在一维中生长，也就是逐行生长，就不会存在这样的能量损失。这样这些材料就可以避免科学家所说的成核障碍，并且可以自由自组装。最近对成核理论有争议，一些研究人员已经发现了一些证据，证明这一基本过程实际上比吉布斯模型中提出的更为复杂。但这项研究表明，吉布斯的理论在某些情况下确实有效。之前的研究已经表明，一些有机分子，包括像科学论文中提到的肽，可以在表面自组装。但在太平洋西北国家实验室，德·约罗和他的团队进行了更深入的研究，发现了一种理解分子与材料相互作用如何影响成核和生长的方法。他们将肽溶液暴露在二硫化钼基底的新鲜表面，用原子力显微镜测量相互作用，然后他们将测量结果与分子动力学模拟结果进行了比较。
德·约罗和他的团队认为，即使在最早期，多肽也能像吉布斯的理论预测的那样，一次只粘附在物质上一行，没有障碍。原子力显微镜的高成像速度使研究人员能够看到正在形成的行。结果显示，这些行从一开始就是有序排列的，而且无论大小都以相同的速度增长——这是一个关键的证据。当溶液中有足够的肽使现有的行生长时，它们也会形成新的行;这只有在行形成没有障碍的情况下才会发生。这种逐行处理为二维材料的设计提供了线索。目前为了形成某种形状，设计师有时需要将系统置于远远不平衡的状态，这很难控制。
但在一维中，让物体形成有序结构的困难消失了，然后你就可以在接近平衡的情况下运作，同时在不失去对系统控制的情况下，继续发展这些结构。它可以改变那些工程微电子甚至身体组织的装配路径。黄教授在加州大学洛杉矶分校的团队已经证明了基于二维材料通过相互作用在溶液中组装的设备的新机遇，但目前用于制造这类材料的手工工艺有局限性，包括扩大生产能力。现在有了新的认识，可以开始利用分子和二维材料之间的特殊相互作用，进行自动化装配过程。下一步，是使人造分子具有与新论文中研究的肽相同的性质，只是更加坚固。在PNNL, De Yoreo和他的团队正在研究稳定的肽，这种肽和肽一样容易合成，但是能够更好地处理温度和用于构建所需材料的化学物质。
博科园-科学科普｜研究/来自：华盛顿大学
参考期刊文献 :《Science》
DOI: 10.1126/science.aau4146
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