自组装系统使用磁体模仿DNA中的特异性结合

有时最好让磁铁完成所有工作。

由康奈尔大学物理学教授Itai Cohen和Paul McEuen领导的团队正在利用磁体的结合力来设计自组装系统，该系统可能以纳米级形式生成。

他们的论文“作为程序自组装的尺度不变平台的磁性握手材料”，于11月21日发表在美国国家科学院院刊上。

为了制造小型系统，例如微型机器，凝胶和超材料，它们可以自我构建，研究人员从DNA折纸中汲取了灵感，在这种折纸中，原子级DNA链可以通过称为互补的过程折叠成二维和三维结构。碱基配对，其中特定核苷酸彼此结合：A到T，G到C。

该团队没有依靠原子键，而是被另一种形式的吸引力吸引：磁性。在这里，多个磁铁之间的吸引和排斥可以像握手一样充当一种智能连接。磁性相互作用还可以形成牢固，通用的键，而这些键不易被热效应破坏。利用在各种方向上足够大的磁体阵列，数千种不同的配置将是可能的。

研究人员通过制造厘米大小的丙烯酸板来测试他们的设计理论，每个丙烯酸板包含四个方形正方形小磁铁。这种安排使他们能够进行四个独特的磁性相互作用。

科恩说：“通过控制每个面板上的磁偶极子的模式，我们基本上可以得到钥匙和钥匙的绑定。” “然后按照设计顺序将这些面板粘合到柔性聚酯薄膜条上，我们创建了基本的构建块。”

为了激活自组装，将单独的钢绞线散布在振动台上，振动台的振动会阻止磁体形成粘结。随着振动幅度的减小，磁体按其指定的顺序连接，并且股线形成目标结构。

科恩说，最终目标是生产这些系统的纳米级版本，其自组装单元的直径仅为100纳米，或者是人发直径的千分之一。

该论文的主要作者，博士后研究员Ran Niu说：“这是一个非常广泛的平台，具有许多令人兴奋和有趣的应用程序。” “您可以设计很多结构。我们可以制造光学主动致动器。我们可以制造可以控制的功能机器。”

该项目最近获得了美国国家科学基金会(National Science Foundation)的110万美元设计材料，以“革命性地设计和设计我们的未来”拨款，这将使该团队能够进一步探索纳米化身。

“我真正感兴趣的部分是结构和信息如何相互作用以制造变形机器的想法，”资深合著者McEuen，John A. Newman物理科学教授，康奈尔大学Kavli研究所所长说。纳米尺度的科学，科恩(Cohen)是高级研究员。“因此，例如，RNA是我们体内令人难以置信的惊人分子，其中包含大量信息，而且还具有各种有趣的功能。因此，这类似于该系统的类似物，我们可以在其中开始了解如何混合使用信息和结构以获得复杂的行为。”

尽管纳米级机器和自组装系统不是新事物，但该项目标志着这两个概念首次与磁性编码结合在一起。

“我的愿景是，有一天我会简单地将一个磁盘交给您，将其放入硬盘驱动器，它会写入您设计的所有磁性代码，然后将其放入酸中释放结构块，科恩说。“所有带有我们编码的磁模式的细线都将聚集在一起，并自我组装成某种机器，我们可以使用外部磁场来控制它。”

“这项工作打开了设计领域，”科恩补充说。“现在，我们为对从零开始设计材料的数学方法感兴趣的人们提供了一种功能强大的工具集。从中发现真正有趣的设计并没有无限的潜力。”

潜在的学习机会可以在研究团队本身中找到。该论文的合著者包括爱德华·埃斯波西托(Edward Esposito)，他是前大学的工作人员，他审核了科恩的“电学和磁学”荣誉课程，并成为科恩实验室的技术人员。他现在正在攻读博士学位。在芝加哥大学。共同作者Jakin Ng是伊萨卡州高中的一名学生，他通过“学习网络”青年体验教育计划开始在科恩实验室做兼职。Ng对折纸样式的了解有助于研究人员设计其某些结构。

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