化学家合成出自组装成花状结晶形态的分子

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在美国政府材料基因组计划的框架下，美国国家科学基金会出巨资资助来自印第安纳大学的研究人员，使他们借助CAD软件，通过专门的预编程进行自组装、设计材料，在提高材料性能的同时又极大地降低了成本。 美国国家科学基金会（NSF）授予了来自印第安纳大学（IU）的三个研究小组总计120万美元的资金，希望能够推进自组装分子及相关计算机辅助设计软件的研究，目的是发展下一代太阳能电池、电路、传感器等技术。 这个来自印第安纳大学布卢明顿学院艺术和化学系的跨学科团队是由Amar Flood、Steven Tait和Peter Ortoleva领导，并与韩国高等科学技术研究院的Mu-Hyun Baik合作开展研究，而后者之前也曾在印第安纳大学工作。 在分子水平上设计新材料是美国政府材料基因组计划的关键目标，这个计划在2011年推出，旨在降低材料的成本、加快创新速度。作为多个项目（从美国国家科学基金会的材料设计到革新和建造未来的计划）资金的接收者，印第安纳大学（IU）的科学家将为这一国家首创做出贡献。 “现在有超过1亿种已知分子，但在绝大多数情况下,当这些分子开始组装在一起时，我们无法预测其将会形成哪种结构，” Amar Flood等说道。“我们希望能够预测并设计这些结构。” 他指出，联合计算机辅助设计、化学合成和分子表征等技术，将代表未来有机材料研究的革命性方法。 最近，Flood和他的同事已经证实，这样一个野心勃勃的目标是可以实现的。 来自IU的科学家在11月23日的《化学》杂志上发表了一篇论文，他们采用“一锅法”合成了一种叫做“tricarb”的新型大分子。 多功能的环状tricarb分子带有对齐标记物，这使得它们互相接触时能够完美地排列，形成高度组织的多层结构。Tricarb分子也有一个中心口袋来捕捉带负电荷的粒子比如阴离子。 “Amar已经开发了一种非常简便的合成方法。”论文的合著者同时也是NSF基金的合作研究员，化学系副教授Steven Tait说。“这些分子能够通过特殊方式识别彼此，顺序堆垛成具有特殊性能的花状晶体结构。” NSF基金项目支持研发那些通过特定的设计，可自组装成三维结构的分子，例如tricarb，他们的三维结构超越了相对简单的二维分子排布。 “研制具有自组装能力的结构单元将会是材料科学领域的一个重大突破并且也是材料基因组计划的一个关键组成部分，”IU布卢明顿学院化学系的主任Stephen C. Jacobson说到。“我很高兴NSF已经意识到我们系在合成、表征和理论上的综合实力，并选择他们来为这一重要任务贡献自己的力量。” Flood特别强调，可选择不同分子构造高度有序的排列是研制有机电子材料的关键，这种新材料可应用于包括高效太阳能电池板、先进的计算机电路等方面。 “现在最好的太阳能电池是由高纯硅制作的，生产过程精细且昂贵，”Tait说，“但如果我们研制出高纯的自组装有机材料，能够从分子层面控制有机物分子的界面及成分组成排列顺序，那它们的性能将显著提高，而生产成本也会降低。 对于研制新型分子结构最为重要的是，IU团队会使用基金开发计算机辅助设计软件以确保虚拟实验有可能去检验让材料科学家感兴趣的数以百万计的分子化合物。 目前，Flood解释说, 因为不存在分子在彼此接触时会如何反应的蓝图，科学家必须进展一项艰巨而耗时的试错过程来设计具有高特殊性能的新型结构。通过虚拟实验，分子工程师100多天可以筛选出100种潜在的分子组合,但是只投入时间和资源来合成前五个最可能的入选者,合成每种化合物大约需要100天,这就极大地节约了时间。 “CAD软件在电气、机械和土木工程等领域得到普遍运用,对于分子和材料工程来说，我们的手中也需要同样的技术，”Flood说，“来自计算合作方面的创新是很关键的。” 这些合作都是与IU布卢明顿学院化学系的特聘教授Ortoleva开展的，Ortoleva教授将通过使用Baik在原子水平的力场的研究成果，用最新的多尺度模拟来帮助开发CAD软件。 “最终,我们计划通过实验展示分子可以通过编程使他们聚集成2D和3D的排列,以及生产有效、准确且操作性好的模拟软件,”Flood补充道。“我们的目标是在理论,设计和实验之间实现高保真度。”