新型海绵状材料可以自行组装成精确可控的结构

马萨诸塞大学阿默斯特分校领导的一个研究小组从各种各样的自然几何图案中汲取了灵感，包括12面骰子和薯片的图案，以便将一套众所周知的设计原则扩展到一类全新的海绵状材料中，这种材料可以自行组装成精确可控的结构

他们的理论和计算模型发表在《美国国家科学院院刊》上，允许最大限度地实现设计经济性，或使用最少数量的可编程自组装件实现最大可能的结构

材料科学的圣杯之一是模仿大自然形成坚固、复杂的自组装材料的能力，从而创造出具有广泛功能的结构。想想蝴蝶翅膀上形成的晶体纳米结构，其精确的形状和大小准确地决定了反射哪些波长的光，从而赋予不同物种独特的标记

“我们受到了病毒自组装的启发，”麻省大学阿默斯特分校聚合物科学教授、该论文的资深作者Greg Grason说

“尽管从健康角度来看，有些病毒可能会带来风险，但它们有着令人难以置信的‘自我封闭’设计。许多病毒都有一个刚性的、高度对称的球形外壳，而这个外壳是由尽可能少的蛋白质排列组成的。这个外壳的大小也刚好合适，再大一点，它就不会感染宿主；再小一点，病毒就不够强大。我们希望能够制造出能够像病毒一样经济地自我组装成完美形状的材料，只是我们想设计出完全不同类型的几何形状。”

Grason和他的团队，包括Brandeis大学和雪城大学的同事。作为联合首席作者，Carlos M.Duque和Douglas M.Hall并不是第一个受到病毒启发的人，他们都是作为麻省大学阿默斯特分校研究生学习的一部分完成这项研究的

早在20世纪60年代，一对名叫唐纳德·卡斯帕和诺贝尔奖得主亚伦·克鲁格的结构生物学家受到巴克敏斯特·富勒著名的测地线圆顶的启发，意识到他的圆顶结构也描述了病毒外壳。他们接着推导出了一套设计原则，称为卡斯帕-克鲁格对称原则，描述了如何用最少的积木建造一个尽可能大的体积的结构

Duque说：“受二十面体病毒外壳Caspar-Klug结构的美丽和优雅的启发，我们制定了一个路线图，以找到经济的设计规则，帮助我们设计出各种非常有用的纳米结构。”

然而，卡斯帕-克鲁格对称原理只描述具有正曲率或形状的结构，如圆顶，在每个方向上向内弯曲

格拉森说：“我们想知道，如果你颠倒曲率，使曲线像品客薯片一样朝着相反的方向运行，会发生什么。”

“负曲率可以形成什么类型的自闭合几何结构，它们能保持Caspar-Klug组件的经济性吗？”

具有这种负曲率的结构具有由相互连接的孔和管构建的海绵状结构，事实上，与蝴蝶翅膀鳞片中形成的光子纳米结构密切相关

为了回答他们的问题，Grason和他的合著者设计了一个计算模型，该模型表明，具有三倍周期负曲率的结构确实可以保持Caspar和Klug在球形病毒中观察到的组装经济性

Grason说：“我们能够将正曲率形状的经济性扩展到一组更复杂的结构，这些结构可以通过组装‘可编程’构建块来实现，这些构建块可以使用DNA纳米技术或从头蛋白质设计的方法来制造。”

霍尔说：“我们的工作模拟了组装过程。”

“首先，几个构建块聚在一起形成一个负弯曲的贴片，就像一个边缘粗糙的薯片。随着贴片的生长，表面会自行闭合，并形成在所有三个维度上延伸的通道。高度规则的通道阵列允许新的潜在材料具有明亮的颜色或衰减声音的能力。”