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Nature子刊：像“乐高积木”一样轻松组装纳米超结构
近年来，将基本的结构单元组装成超结构（superstructures）吸引了科学家们广泛的兴趣，这不仅可以加深我们对生物体系自组装过程的理解，还能得到具有增强和协同的光、电、力、磁性质的新材料，而这些材料在药物运载、光电技术、化学传感器、能源储存及催化领域有着重要用途。目前而言，基于粒子组装成超结构的方法主要有界面组装（interfacial assembly）、层层组装（layer-by-layer assembly）、配体驱动组装（ligand-driven assembly）、蒸发组装（evaporation assembly）以及DNA组装（DNA-based assembly）。然而，这些组装方法依赖于粒子间高度特异性的相互作用，即只能针对个例粒子（case-by-case）进行组装，这极大限制了超结构的合成和应用。
纳米对象由于太微小而难以操作，并且往往因不相容的表面而难以组装成有序的结构。相比而言，用乐高搭建比较复杂的形状则容易的多，这种塑料积木一面有凸起，另一面有可嵌入这些突起的凹槽，可以保证按照需要将不同积木接合在一起，从而拼插出变化无穷的造型，令人爱不释手（如下图）。
乐高积木。图片来源：Google
日前，受此启发，由澳大利亚墨尔本大学（University of Melbourne）教授、澳大利亚科学院院士Frank Caruso开发出一种新的纳米工程技术，可以将纳米颗粒转变为“乐高积木”一样的标准模块，从而组装成多种形状的超结构纳米材料。利用这种简单且通用的方法，科学家已成功将15种有代表性的材料组装成不同形状、大小和功能的新材料。相关成果发表于Nature Nanotechnology上。（Modular assembly of superstructures from polyphenol-functionalized building blocks. Nat. Nanotech., 2016, DOI: 10.1038/NNANO.2016.172）
Frank Caruso教授。图片来源：University of Melbourne
这种通用的组装方法包括两个步骤，第一步是将多酚基团修饰在各种纳米粒子的表面，构建成“乐高积木”模块（building blocks）单元。由于多酚能通过共价和非共价作用与各种各样的表面进行强烈的结合，因而这种修饰并不依赖于粒子表面的化学基团。
将多酚修饰于不同形状的粒子表面，构建成“乐高积木”模块。图片来源：Nat. Nanotech.
第二步是基于金属配位，通过界面分子间作用力和粒子间的互锁作用（interlocking）将模块组装在模板（templates）的表面，再将模板去除，最终得到超结构材料。
将模块、模板和金属离子组装成超结构。图片来源：Nat. Nanotech.
接着，研究人员进一步对组装机理进行了深入研究。他们采用原子力显微镜研究发现，模块与模板之间的吸引力是组装的主要驱动力，而模块粒子间的排斥力-吸引力的动态平衡导致了粒子间的互锁作用。研究人员还采用分子动力学模拟（molecular dynamic simulation）得出这种吸引力来自于模块表面的多酚基团与模板聚苯乙烯之间的芳香环的相互作用。
分子动力学模拟模块与模板界面间的相互作用。图片来源：Nat. Nanotech.
这种方法的通用性使得研究人员能够将15种不同尺寸、形状、组分及功能的代表性的材料（如聚合物纳米粒子、金属氧化物纳米粒子及纳米线、贵金属纳米粒子、上转换纳米粒子、配位聚合物纳米线、纳米片、纳米笼以及细胞）转化为模块，并成功将其组装成三维的超结构材料。值得一提的是，将细胞组装成超结构，将极有利于可携带的细胞培养技术、细胞治疗及组织重建的发展。
模块组装超结构的通用性。图片来源：Nat. Nanotech.
Frank Caruso教授提到：“我们采用类似乐高积木的策略，先采用通用的粘合材料（多酚）将粒子转换为带有嵌条和嵌槽的模块，然后将它们围绕着模板组装在一起，而采用的模板将决定超结构的最终形状。以前的组装方法受限于特定的颗粒，而这种新方法可以将各种各样的颗粒组装成超结构。”
http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2016.172.html
（本文由冰供稿）