复杂系统的自组装六边形积木更好

自然界中的复杂系统，就像技术中的合成系统一样，由大量小组件组成，这些小组件通过分子相互作用自行组装。更好地理解这种自组装的原理和机制对于纳米技术和医学等领域新应用的开发非常重要。

慕尼黑大学统计和生物物理学系主任、ORIGINS Excellence Cluster 成员 Erwin Frey 教授和他的研究员 Florian Gartner 博士现在研究了自组装的一个方面，该方面以前很少受到关注：形状起着什么作用以及粒子之间可能存在的键的数量?

正如研究人员在《Physical Review X》杂志上报道的那样，他们的结果表明，六边形形态(换句话说，六面结构)(例如具有六个结合位点的分子)是自组装的理想选择。

缩放现象引起了研究人员的兴趣

“当我们研究自组装的一般模型时，我们观察到组装时间随着目标结构的尺寸而增加，”Gartner 回忆道。 “这让我们想知道，粒子的形状是否会对所需的组装时间随目标结构尺寸的增加而增加的速度产生相当大的影响，从而影响自组织过程的效率。组装时间的缩放与目标结构的大小定义了我们所说的自组装的时间复杂度。”

遵循这一想法，科学家们开发了一个数学模型来分析系统在自组装过程中的行为。他们的结果表明，构建块的形态实际上确实发挥着重要作用。

通过考虑系统的尺度和动力学等因素，Frey 和 Gartner 证明六边形形状为自组装提供了相当大的优势。例如，与三角形构建块相比，由一千个构建块组成的结构的组装速度几乎可以用六边形构建块快四个数量级。

这种六边形原理通常适用于形态，它不仅描述了颗粒的形状，还描述了它们的键的数量和位置：事实证明，在组装更大的结构时，与相邻颗粒的六种可能的键是理想的。这可以是共价键、氢桥键、范德华力和疏水相互作用。

这种模式在自然界中也存在对应关系，例如病毒衣壳的自组装。这个过程首先将小的三角形部件组装成六边形，然后与五边形连接形成病毒衣壳的二十面体结构。

潜在应用

科学家们表示，他们的研究结果为纳米技术提供了宝贵的见解。六边形原理可用于将小型结构的自组织优化为较大的结构——就构建块的形状或与其他粒子的键和邻接关系的可能性而言。例如，通过分层自组装，可以在初始组装步骤中形成具有特别有利的形态(例如六边形)的颗粒，以提高整个组装过程的效率。

Gartner 解释说：“如果您了解单体的哪些形态可以实现高效的自组装，您就可以有意识地选择这些形状，并避免组装缓慢的低效形状。” “如何利用这一策略的一个例子是合成用于生物医学应用的人工病毒衣壳。”

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