揭开自然规律的面纱：物理学家打造自组装“规则手册”

受到生物系统的启发，材料科学家们长期以来一直试图利用自组装来构建纳米材料。挑战在于：这一过程似乎是随机的，并且极其难以预测。

现在，来自奥地利科学与技术研究所（ISTA）和布兰代斯大学的研究人员发现了几何规则，这些规则充当自组装粒子的主控机制。

这些结果可能在从蛋白质设计到合成纳米机器的应用中发挥作用，已在 自然物理 上 发表。

生命是终极的纳米技术专家。生物学长期以来吸引着物理学家，因为它能够从像磁铁一样紧密结合的分子中构建复杂的分子机器和结构。但是，是什么支配着这种在自然界中频繁发生的现象呢？

为了找出答案，博士生马克西米连·赫布尔和奥地利科学与技术研究所（ISTA）的助理教授卡尔·古德里奇与美国布兰代斯大学W·本杰明·罗杰斯小组的科学家大地·早川和托马斯·维德贝克合作。他们共同致力于揭示分子自组装的机制，并将其应用于纳米技术。

古德里奇说：“几十年来，科学家们一直梦想利用分子自组装的力量来构建量身定制的纳米材料。”

“但一个主要挑战是准确预测成千上万的小颗粒在运动时会形成什么形状。”

在一种结合理论与实验的双重方法中，团队开发并验证了一个工具，这个工具可以区分“可设计”的结构和那些无法组装的结构。结果表明，自组装的过程受几何形状的影响。

自组装颗粒并不是Goodrich研究的新领域。然而，在找到一种具体的方法来解决这个问题后，他才决定直接面对这个课题。他的初步策略包括数值计算，比如自动微分和可微编程。

当Hübl加入Goodrich团队时，他开始用同样的方法研究这个项目。不过，他很快发现了一种更通用、更有效的方法。

“通过我们的初步策略，我们把问题看作是在一个未知的房间里，黑暗中用手电筒四处摸索。最后，我们意识到房间里有一个灯的开关。开灯后，我们能看到自组装可以实现的所有可能性，以及它无法达到的领域。”

因此，自组装并不是在广阔的数学可能性海洋中随意发生的过程。通过找到正确的方法，团队能够明确可行和不可行的自组装配置之间的界限。

隐秘几何形状的规则书

团队通过 Hübl 的方法，专注于调节组装粒子的浓度和结合能的影响。最终，这种方法将帮助他们确定哪些结构是“可设计的”。

“我们把结合能作为计算的输入，输出则是粒子将形成哪些结构以及它们的数量，”Hübl 解释道。

“这使我们能够识别出阻止某些结果在粒子中发生的约束。”一个例子是，获得 100% 产率的特定结构可能根本不可能。

在这种情况下，额外的结构被科学家称为“必要的奇美拉”，指的是在这些条件下不可避免的副产品。Goodrich 强调：“我们的方法可以解释为什么某些设计特定纳米材料的尝试特别具有挑战性。”

那么，科学家们究竟识别出了什么样的理论框架呢？计算出的热力学约束共同形成了一个隐秘的数学形状，捕捉了可能的组装结果范围：一个“高维凸多面体”。

这个几何形状将作为平衡自组装的“理论规则手册”。“多面体结构表明，平衡组装遵循的规则可以为纳米技术专家和分子设计师提供工具，”Goodrich 解释道。“这个基础物理告诉我们，某个目标结构是否根本可能。”

DNA 折纸

为了测试这种几何形状在自组装中的实际应用，ISTA 的科学家与布兰代斯大学的罗杰斯团队的研究人员合作，他们利用生物物理学和软物质物理学的技术来理解自组装。他们设计并合成了三角形 DNA 折纸构建块，并进行了实验来验证理论。

通过从三角形的边延伸单链 DNA并调整其序列以编程特定的相互作用方式，他们在实验中实施了一套理论结合规则。

罗杰斯说：“我们发现理论与实验之间有显著的一致性，确认我们确实揭示了一些基本的组装规则。”

根据作者的说法，实验结果清楚地表明了理论在实际应用中的有效性。

赫布尔说：“本质上，我们使用我们的几何‘规则书’来预测实验结果，而不需要对相互作用的细节进行建模。实验结果与预测结果非常接近，我们不需要审查理论的任何部分或调整任何因素。”

因此，除了识别可设计的结构外，“理论规则书”也展现了它的实际价值。

自然的游乐场与蓝图

团队通过揭示可建造和不可创造之间的基础几何界限，展示了自组装的极限。

“自组装是自然界中一种宏伟而疯狂的现象。但马克斯的理论现在解释了为什么一些复制尝试会失败，以及如何能做得更好。这就像拥有一份描绘自然游乐场边界的设计图。最终，这个模型可以成为建筑师的工具，像一个设计纳米结构的主控面板，”古德里奇说。

团队表示，应用可能包括在各种实验环境中进行逆向设计，例如从较小的构建块组装新型蛋白质、DNA纳米颗粒和合成纳米机器。

更多信息：一种多面体结构控制可编程自组装，自然物理学（2026）。 DOI: 10.1038/s41567-025-03120-3。