科学家的“乐高”，还能自己拼装那种自然界中存在着许多有趣现象

自然界中存在着许多有趣现象，自组装就是其中之一。它是指是原本乱七八糟的原子、分子、纳米颗粒等粒子自发地排成了整齐的团队。自组装存在于几乎所有生命体和很多物质的形成中。比如，生物体的细胞就是由各种生物分子自组装而成的，而糖结晶是通过糖分子自组装形成。自组装的存在为自然界提供了物质的多样性和丰富性。

图1 分子自组装示意图（图片来自网络）

自然界的自组装变化无穷，为科学家们提供了用材料组装出新物质的的无限想象力。我们知道，新的尺度革命——纳米尺度革命正在到来。纳米材料作为基础尤为重要。而自组装正是科学家们构建纳米材料的一种重要手段，也就是科学家们用纳米材料大玩“拼拼乐”。而目前，这种“自下而上”的组装方法已被广泛应用于制备具有特殊光、电、磁等特性的纳米材料，比如纳米超晶格材料、催化材料、表面等离子基元增强材料、超颖材料等等。

但是，人类可没有自然界那么聪明，目前科学家的纳米材料“拼拼乐”游戏可远远没有自然界中生物分子自发的“拼拼乐”玩得这么溜。

面对的问题层出不穷：比如说组装出的纳米材料有较多缺陷、组装过程的可控性差、难以大面积制备、组装结构的可设计难以实现等等。其中，如何实现组装对称性的可调控是科学家们要解决的最重要的难题。

组装对称性的可调控，这可是个好问题。一般来说，由于形状互补性，组装结构对称性受到组装单元的形貌限制，比如四方单元易于形成四方密排结构，而球型则形成六方密排对称结构。想想其实和我们经常玩的磁力片组合是一样的道理（图2）。如果我们能打破这种对称性，让这些组装单元按我们自己设计的思路来组装材料，那岂不是能创造出更多形状、更多功能的东西了么？

图2 磁力片组合示意图

但是，纳米材料真的是太微小了，而且在组装过程中还得考虑复杂力的平衡问题，以及热力学最小原理等等多方面的要求，因此，打破形状依赖的组装结构对称性似乎是一个难以实现的目标。

最近，中国科学院纳米科学卓越中心和美国科罗拉多大学的科学家们就解决了这个难题。他们首次打破了纳米金属棒组装中形状依赖对称性的限制，为自组装的设计、制造开辟了新的途径。

实际上，在组装过程存在着很多力，如范德瓦尔斯力、静电力、耗散力等。这些各种各样的力让组装行为变得很复杂。为了打破对形状组装的依赖性，科学家们通过引入一种新概念的控制力（远强于上文提到的“范德瓦尔斯力、静电力、耗散力”等这些力），去引导纳米材料按科学家设计好的对称性结构来进行组装，从而实现非形状依赖的对称性组装。

科学家首先用纳米金棒来做这个实验。刚才我们知道，组装结构对称性受到组装单元的形貌限制，此前八面体的纳米金棒只能依赖六方对称进行组装，如图3中的左图所示。但是，用新的方法，科学家就可以让这些八面体的纳米金棒按科学家设计的四方对称性图纸来组装，如图3中的右图所示。在纳米金棒的实验成功后，科学家们还在八面体的纳米银棒和纳米钯棒上做了尝试，实验都成功了，说明这个方法具有普适性。

图3 金棒组装对称性俯视图

相关成果在线发表在国际著名刊物《自然?通讯》上（链接：http://www.nature.com/articles/s41467-017-01111-4）。这种新方法开辟了一条打破形状依赖组装对称性的新途径，为组装结构的多样性和纳米材料组装结构的可设计、可控提供了了有力工具，将为推动纳米组装技术的进步提供助力。

来源：中国科学院国家纳米科学中心