能像原子組成分子般自我組裝的「膠體」

Researchers create new microparticles that self-assemble like atoms into molecules
http://phys.org/news/2012-10-microparticles-self-assemble-atoms-molecules.html

October 31, 2012

科學家創造出一種新粒子，大小為人類頭髮直徑的百分之一，能像原子組成分子般，自發性的將它們自己組裝成結構物（structures）。這些新粒子以先前不可能製造出來的樣式（patterns）聚在一起，或「自組裝」，形成結構物，且可望用來製造先進光學材料與陶瓷材料。

在最新一期 Nature 期刊中描述的這種方法，由紐約大學（NYU）、哈佛工程與應用科學院、哈佛物理系以及 Dow Chemical Company 的化學家、化學工程師以及物理學家所組成的一團隊開發而成。

此方法聚焦在強化膠體（colloids，懸浮在液態介質中的微小粒子）的結構（architecture）。膠狀分散體（Colloidal dispersions）由油漆、牛奶、吉利丁、玻璃與瓷器這樣的日常物品組成，但它們創造新材料的潛力大部分都仍未開發。

先前，科學家已從膠體成功的建立簡陋的結構物。但利用膠體來設計並組裝出複雜的三維結構物的能力，那對於先進光學材料的設計至關緊要，卻仍處處受限。部份是因為膠體缺乏方向性鍵結（directional bonds），那對於控制粒子自我組裝以及強化複雜度同時維持這些創作在構造上的完整性（integrity）來說是必要的。這樣的組裝物（assemblies）如同自然世界的基石 -- 例如原子與分子 -- 不過它們在膠體的領域中很罕見。

"此方法打算辦到的是：利用原子的自然特性並將之應用到膠體的世界，" NYU 的化學教授 Marcus Weck 表示，研究共同作者之一。

"當化學家要合成分子與結晶體時，他們有一整張週期表的原子可以選擇，" 共同作者 Vinothan Manoharan 表示，哈佛化學工程與物理副教授。"我們想要開發出一套類似的「建構組（construction set）」以製造尺度更大的分子與結晶體。"

在開發具有這類特性的膠體時，研究者設計出化學「修補物（patches）」，那能形成方向性鍵結，因而允許粒子間只有少數連結的三維「晶格（lattices）」組裝 -- 對許多先進材料來說，是一種很重要的設計元素。沒有方向性鍵結，這樣的結構物會不穩定。

訣竅是，在這些修補物上建立鍵結能力。科學家們利用單股的 DNA 辦到這件事。NYU 以及其他地方的科學家先前就已利用它來組織小型粒子。在 Nature 上所敘述的方法中，這些 DNA 股權充「黏性末端（sticky ends）」，使粒子修補物能夠黏附。

"意思是我們能使粒子只能附著在修補物上，而且我們能將之編程（ program），使特定種類的粒子能附著在這些修補物上，" 共同作者以及 NYU 物理學教授 David Pine 表示。"這賦予我們極大的彈性來設計三維結構物。"

研究者們補充，修補物之間 DNA 交互作用的專一性意味著這些膠體具有不同的特性，例如大小、顏色、化學功能性或導電性，能導致新材料的製造。這些可能性包括 3D 電氣連線網路（electrically wired networks）或光子晶體以強化一系列消費性產品的光學顯示器並改善電腦晶片的速度。

※ 相關報導：

＊ Colloids with valence and specific directional bonding
http://www.nature.com/nature/journal/v491/n7422/full/nature11564.html

Yufeng Wang, Yu Wang, Dana R. Breed, Vinothan N. Manoharan,
Lang Feng, Andrew D. Hollingsworth, Marcus Weck & David J. Pine
Nature 491, 51–55 (01 November 2012)
doi: 10.1038/nature11564

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