你是否观察过公园地砖是如何铺满地面的？镶嵌是非常有趣的数学问题，不仅出现在我们的生活中，也是科学研究的一个热点。最近科学家通过模拟，证实可以让粒子在纳米尺度自发地形成叫做“阿基米德铺砌”的结构。这项技术将有助于制造未来的纳米器件。

粒子按上图的排列自组装

　　研究人员首次模拟出粒子可以自发地自组装成叫做“阿基米德铺砌”（Archimedean tilings）的几何网格。实现这种结构的关键是称为“最小主动设计”（minimal positive design）的策略，需要考虑粒子的几何结构和化学选择性。该方法具有分子自组装方面的应用价值，未来或许可以应用于多种纳米技术。论文作者Stephen Whitelam来自美国劳伦斯伯克利国家实验室，论文发表在最近的《物理评论快报》上。

　　此前，研究人员已经成功地让粒子自组装成柏拉图镶嵌（Platonic tilings），这是由单一形状（如正方形、三角形或六边形）的构成的周期性排列。为此，研究人员使用一种称为“正设计”（positivedesign）的策略，基于粒子的几何形状来实现所需的结构。当把粒子放在一起并将其冷却时，由于化学、物理和热力学上的相互作用，它们会自发地自组装成柏拉图镶嵌。

　　实现柏拉图镶嵌的下一个最简单的目标就是让粒子自组装成为阿基米德铺砌，但这要困难得多。阿基米德铺砌由两个或三个不同的形状组成，并且只有一种类型的顶点（它们的交点看起来相同，具有相同的角度）。阿基米德铺砌具有八种类型，新的设计策略可以实现所有这些构造。

　　这个方法的新颖之处在于“最小”，与化学选择性有关。Whitelam发现，在期望结构中，如果确定所有的粒子间相互作用，然后选择只有某种只参与某些特定相互作用的粒子，然后经过简单的冷却方法，粒子就能自组装成想要的结构。该策略的“积极”方面是它通过促进期望的结构来实现目的，并且不需要抑制其他不需要的结构。

　　其他研究人员已经通过模拟证明，仅仅具有正确的几何不一定能自组装成想要的结构。而Whitelam的工作证实了这一事实，并且证明化学选择性（chemical selectivity）对实现期望的结构至关重要，即粒子只通过特定的相互作用结合，从而避免产生错误的结构。

　　“结果表明，要实现特定的自组装结构，你需要具有‘化学特异性’的相互作用，”Whitelam说。“我想写一篇文章，讨论对粒子进行‘编程’需要多少信息才能得到想要的结构。”

　　有趣的是，化学选择性也用于控制生物分子（例如蛋白质和DNA）间的相互作用。

　　“这个结果的一个方面已经广为人知：使用DNA纳米技术的研究人员通常使用DNA介导的化学特异性相互作用，可以制造出比阿基米德铺砌更复杂的结构，”Whitelam说。“令我惊讶的是，即使对于阿基米德铺砌（最简单的半正镶嵌之一），你也需要这个方法，并且这就是所需要的全部。也就是说，化学特异性是必要且充分的。我想强调这一事实的原因是，阿基米德铺砌与化学特异性的联系看起来并不明显。”

　　“研究人员希望能够控制表面分子的图案有几个原因，开奖，”Whitelam说。“一个原因是，atv，如果可以控制表面上的成分以及构造，那就可以改变表面的化学和物理性质。另一个原因是二维网格可以用于放置其他分子：想象将颗粒（例如金属纳米颗粒，在下一代电子设备中具有潜在应用价值）放置在网格的孔隙中。控制这些颗粒的相对位置非常重要。”

　　伯克利分子实验室（The Molecular Foundry at Berkeley Lab）是美国能源部用于纳米科学的地方。Whitelam计划与该实验室的其他科学家进行合作。

　　“我的目标以这项工作为基础上，与研究DNA相关的科学家进行纳米科学相关的研究，”他说。 “我们希望研究如何用这些分子制造出新的纳米结构。”