科技視點：可編程的合成材料
發(fā)布時間：2021-06-15
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科技視點：可編程的合成材料
圖片來源：Pixabay
人造分子有一天將可以構(gòu)成一種新型計算機的信息單元，或者成為可編程物質(zhì)的基礎(chǔ)。這些信息將以單個原子的空間排列方式進行編碼——類似于堿基對序列確定DNA信息內(nèi)容的方式，或者像組成計算機內(nèi)存的0、1序列。
加州大學(xué)伯克利分校和波鴻魯爾大學(xué)的研究人員已朝著這一愿景邁出了一步。他們向我們展示，原子探針斷層掃描技術(shù)可用于讀取多元金屬-有機框架中金屬離子的復(fù)雜空間排列。
金屬有機框架（MOFs）是有著多金屬節(jié)點的晶體多孔網(wǎng)絡(luò)，這些金屬節(jié)點由有機單元鏈接在一起，以此來形成明確結(jié)構(gòu)。要使用一系列金屬對信息進行編碼，首先必須能讀取金屬排列。但是，閱讀該排列極具挑戰(zhàn)性。近來，由于這種多元結(jié)構(gòu)能夠提供廣泛的信息，人們對表征金屬序列興趣漸濃。
本質(zhì)上，以往沒有方法可以讀取MOFs中的金屬序列。在當(dāng)前的研究中，研究團隊通過使用原子探針層析技術(shù)（APT）成功做到了這一點。該團隊中的波鴻魯爾大學(xué)材料科學(xué)家 Tong Li是這一技術(shù)的專家。研究人員選擇了Yaghi小組于2005年制造的MOF-74作為研究對象。他們設(shè)計了混合了鈷、鎘、鉛和錳的MOFs，然后使用APT解密了其空間結(jié)構(gòu)。
波鴻魯爾大學(xué)材料研究所原子尺度表征研究小組的負責(zé)人Li教授，與加州大學(xué)伯克利分校的Zhe Ji博士和Omar Yaghi教授在2020年8月在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志的報告中介紹了該方法。
多元金屬-有機框架桿(左)可利用不同的金屬原子(有色球)編程來完成一系列化學(xué)任務(wù)，如控制藥物釋放，或者用類似數(shù)字計算機中1和0的方式編碼信息。圖片來源:加州大學(xué)伯克利分校
像生物一樣復(fù)雜
未來，MOFs或可成為可編程化學(xué)分子的基礎(chǔ)：例如，可以通過編程MOF將一種活性藥物成分引入體內(nèi)，以攻擊受感染的細胞，然后將活性成分分解成不再需要的無害物質(zhì)。或者可以將MOFs編程為在不同時間釋放不同的藥物。
“這是非常強大的，因為這本質(zhì)上是在編碼從框架中脫出分子的行為，”Yaghi這樣表示。
它們還可以用來捕獲二氧化碳，同時將二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學(xué)工業(yè)的有用原材料。
圖片來源：Pixabay
作者們在論文中寫道：“長遠來看,這種結(jié)構(gòu)與可編程的原子序列可以徹底改變我們思考材料合成的方式。材料合成的精確度和復(fù)雜性可以達到一個曾經(jīng)專屬于生物學(xué)領(lǐng)域的全新水平?！?/span>
撰文：羅伯特?桑德斯
翻譯：曾欣欣
審校：董子晨曦
引進來源：加州大學(xué)伯克利分校
引進鏈接：https://phys.org/news/2020-08-programmable-synthetic-materials.html


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