科学家成功打造准空间堆积结构，将能指导可控纳米粒子的合成，为先进材料打开新世界
近日，美国七院院士、美国西北大学查德·米尔金（）教授和合作者，成功设计一种三维非周期的空间堆积结构。
该结构在大尺度上具有十二重对称性，且在微观尺度恰好最大化了十面体之间的面对面接触。
美国加州理工博士后周文杰担任相关论文的第一作者，而正是周文杰在西北大学读博期间的导师。
图 | 周文杰（来源：周文杰）
周文杰表示：“通过对胶体准晶体的合成进行预先设计，我们在纳米科学领域取得了重要里程碑，这不仅揭示了复杂纳米结构的设计法则，也为先进材料和创新纳米技术应用打开了一个新世界。”
（来源：Nature Materials）
整体来看，这项研究既能为凝聚态物理基础问题提供一个探索平台，又可以催生一系列光学和力学超材料的开发，这些超材料所拥有的物理性质，在自然界中并不存在。
对于此前被认为难以逆向设计的复杂非周期结构来说，本次成果为控制和合成这类结构提供了可能性。随着人们针对可编程物质的深入探索，这项研究将为多个科学领域的进展和应用指引方向。
研究中，他们利用形状和可控的粒子间吸引力，来编程胶体粒子形成准晶体，也就是使用 DNA 修饰的十面体金纳米粒子来组装准晶体。
同时，本次成果还得到了分子动力学模拟的支持，因此是一项面向准晶体工程迈进的重要工作。
尽管这是一项基础研究，然而它对于可控纳米粒子合成与可编程纳米材料的调控有着指导意义。由于本次工作提出一种通过简单单一形状，来形成低对称性超晶格的方法，因此这一方法对于光学超材料有着重要意义。
借助光学超材料的开发和应用，可以大幅缩减光学元件的尺寸。如今人们普遍追求 VR 与 AR 设备的轻量化，因此这一方法具有很大的应用前景。
从 1982 年的准晶体说起
据介绍，在材料科学领域，可编程纳米材料一直是研究的热点。
DNA 可编程纳米粒子自组装，是一种极为可控的可编程纳米材料合成工具。截止目前，它在构建可编程胶体晶体上已经趋于成熟。
然而，对于周期性结构来说，它只是物质构成状态的很小一部分。因此，如何构建非周期纳米结构，成为可编程纳米材料面临的一大问题。
准晶体是一种较为特殊的固体材料，它的物质单元排列既不像传统晶体那样周期性重复，也不像非晶体那样完全无序。因此，它是一种非周期结构的代表。
准晶体的发现打破了长期以来科学家对物质结构的理解，它们展示了一种介于晶体和非晶体之间的新型结构。
准晶体的发现可以追溯到 1982 年。当时，以色列科学家丹•谢赫特曼（）观察到一种铝和锰的合金展现出非周期性的十重对称性。这一发现最初遭到科学界的怀疑，因为它挑战了晶体学的基本原理。
然而，随着更多的研究，准晶体的存在得到了确认，并在不同的材料体系比如原子、分子、胶体之中被发现。也因此获得 2011 年诺贝尔化学奖。
然而，迄今为止，对准晶体形成原理的研究主要依赖于对偶然产物的结构分析，如何从头设计合成一个准晶体，仍旧是困扰科学家数十年的问题。
值得注意的是，准晶体（非周期堆砌）不仅是一个化学问题，更是一个数学问题。自 1960 年代华裔数学家王浩提出“王氏砖”至今，人们一直在寻找能够形成非周期堆砌的最优雅形状。
1974 年，诺奖得主、英国数学物理学家罗杰·彭罗斯（）提出一种非常经典的堆砌，仅使用两种不同形状即可实现二维非周期堆砌。
自此，数学家对于非周期堆砌的兴趣开始集中在“如何找到一种单一形状，使其堆砌结果只能为非周期”。截止目前，只有一种 13 边形于 2022 年 11 月发现，这一重大发现也重燃了学界对准晶体设计和形成奥秘的兴趣。
准晶体最显著的特点是其具有平移对称禁阻的非常规对称性，比如五重对称性，这在自然界的物质中是罕见的。在普通晶体中，原子排列会形成规律的、可以无限重复的模式，并且通常是以二维或三维的格子形式出现。
然而，在准晶体中原子排列固然有序，但不会形成重复的模式。这意味着它们具有一定的结构规律，但这种规律不会周期性地重复。
这种近乎苛刻条件对准晶体的可设计合成提出了巨大挑战。即到底该如何设计一个物质结晶系统，并通过某些合成条件使其无法形成周期性排列的晶体？
同时，这样的合成条件又不会使其完全无法结晶而成为一个无序的体系？
传统研究之中，人们一般基于类似原子成键方向的结晶设计思路。周文杰等人则利用了低对称性多面体的堆积，结合计算机模拟实现了这种三维非周期的空间堆积结构。
（来源：Nature Materials）
向设计可编程纳米材料迈出重要一步
对于周文杰来说如何从头设计并合成一个胶体准晶，是一个纯兴趣驱动的探索。“也是我从博士一年级开始，与一位博后师兄（教授，本次论文共同一作，现于厦门大学化学系任教）一直希望能够解决的问题。”他说。
过去几年，他们一直为实现这一目标准备着。准晶体不仅仅是个化学问题，更是一个数学问题。
为此，他们大量阅读了数学、物理、化学的相关文献，也详细研究了现存准晶体的案例。最终，他们认为低对称性的纳米粒子是最有潜力的研究对象。
一次偶然的机会，他们发现假如最大化地进行面与面的接触，一种十面体可以被局部堆积成为多种不同形态，这也是准晶体形成的一大重要因素。
于是他们寻求计算机模拟方面的合作，并确认了实现这一准晶体的可能性。
然而实验验证并非一帆风顺，一次偶然的机会，他们在近百种实验条件探索的样品中发现了一种特殊结构，其外观不同于任何已知的有序结构。
不同于晶体结构的是，准晶体是一种不具备周期性结构的物质，因而对其结构的解析需要尽可能大的样品区域。
然而，初始样品的大小非常有限，为了对这个结构进行全面解析，他们又开始探索合成条件。
据介绍，准晶体的形成对于 DNA 的长度极为敏感，十面体必须在 DNA 很短时才会自组装为有序结构（即准晶体）。
为了提高准晶体的产率和质量，他们对 DNA 序列进行一系列的探索，最终找到合成这种准晶体的关键，也完成了对于结构的全面解析。
后又通过对计算模拟结果的多维度对比，让这种准晶结构得到了成功验证。
（来源：Nature Materials）
日前，相关论文以《用 DNA 改造的胶体准晶体》（）为题发在 Nature Materials[1]。
周文杰是第一作者，西班牙巴斯克研究和技术联盟的路易斯·利兹-马赞（）教授、美国密歇根大学莎伦·格罗策（）教授、以及美国西北大学查德·米尔金（）教授担任共同通讯作者。
图| 相关论文（来源：Nature Materials）
总的来说，本次研究增加了周文杰对于多面体堆积的自组装的理解，让他和所在团队向着设计可编程纳米材料迈出了富有意义的一步，也能助力于纳米超晶格的几何构建和结构解析和几何构建。
接下来，他将继续推进基于几何设计的自组织行为的理解，包括但不限于纳米尺度与宏观尺度的系统，致力于从对物质行为的底层理解出发，开发一系列具备奇特物理性质的超材料。
（来源：Nature Materials）
茫茫科研中的独特之处
对于周文杰来说，这个课题也标志着他在读博期间的一个重要转型：从以工程思维为指导的应用科学，转到以兴趣为指导的基础科学研究。
在此之前，他主要致力于将 DNA 可编程纳米粒子组装作为一个高度精确的纳米材料合成平台，从而生产相应的可编程光学器件。
其表示：“在 Qualifying Exam 通过之后，我与实验室所有同事进行了深度交流，发现我始终没办法回答的一个问题是：究竟有哪些研究是我最感兴趣且最擅长的？”
后来，他和一直聊到深夜，在后者的鼓励之下周文杰开始了全面面向未知科学的探索。
他说：“我仍旧记得林师兄的建议：作为科学家，不应该畏惧或不承认未知的存在，同时也不意味着应该整日陷进追随‘大问题’的思维陷阱；最有价值的研究往往基于长期知识的积累之下，一个很简单很纯粹的想法，这便是只有‘你’在茫茫科研领域之中的独特之处。”这段话让他至今常看常新，并激励着他继续前行。