(Phys.org) —Materialdesign följer vanligtvis vad som är känt som Edisons metod , en traditionell process som kännetecknas av trial-and-error upptäckt snarare än ett systematiskt teoretiskt tillvägagångssätt. Även om detta kan vara något felaktigt – Edison använde sig av tillgängliga teorier och tog till försök och misstag endast när det inte fanns någon adekvat teori – ett bättre alternativ är en a priori tillvägagångssätt där önskade egenskaper definieras och motsvarande strukturer utformas. För detta ändamål, forskare vid Columbia University – Institutionen för kemiteknik och Brookhaven National Laboratory (BNL) har nyligen skapat en designmetod där kolloider ympade med enkelsträngat DNA självmonterar sig till önskade strukturer. Forskarna konstaterar att deras metodik lätt kan generaliseras, är snabb och mycket selektiv, återger exakt de parametrar som är relevanta för fyra för närvarande realiserade kristaller men belyser också – överraskande nog – fyra för närvarande oobserverade strukturer. Medan forskarna erkänner att dessa strukturer måste valideras experimentellt, de är övertygade om att deras metodik har breda potentiella tillämpningar.

Prof. Venkat Venkatasubramanian diskuterade uppsatsen att han, Prof. Sanat Kumar, Prof. Babji Srinivasan, Thi Vo från Columbia, och deras medförfattare, Dr Oleg Gang och Dr Yugang Zhang från BNL, publicerades nyligen i Proceedings of the National Academy of Sciences . "Design av DNA-ympade nanopartiklar är utmanande eftersom ett antal experimentella parametrar kan spela en nyckelroll vid självmontering, " berättar Venkatasubramanian Phys.org . "Parameterutrymmesstorleken kan därför bli mycket stor, med ett stort antal lokala minima, vilket gör det mycket svårt – för att inte säga omöjligt – att effektivt söka i rymden på ett edisoniskt trial-and-error-sätt." göra designprocessen mer effektiv. (En genetisk algoritm, eller GA, efterliknar processen med naturligt urval.)

Med det sagt, dock, Venkatasubramanian tillägger att en annan utmaning i deras tillvägagångssätt är att de kräver pålitliga framåtmodeller. "Medan detaljerade modeller av DNA-medierad självmontering tenderar att vara mer exakta, de skulle vanligtvis kräva simuleringstider som sträcker sig från flera timmar till några dagar, och därför inte skulle vara lämplig att koppla till den genetiska algoritmen för rationell design." Forskarna valde därför en enklare kompletterande kontaktmodell (CCM) baserat på de förutsägbara och väletablerade egenskaperna hos både DNA (persistenslängd, ökning per baspar) och DNA-NPs (antal DNA-strängar per partikel, hybridiseringsbeteendet hos klibbiga ändar) ¹ . "CCM har varit ganska framgångsrik i att fånga majoriteten av de experimentella observationerna, " han lägger till, "och vara snabb, det möjliggör effektiv GA-koppling, genererar förutsägelser av de nödvändiga designparametrarna på några minuter."

Kumar noterar att experimentell validering av deras tillvägagångssätt är en annan, och mycket viktigt, utmaning. "Vi bestämde oss för att testa vårt ramverk genom att först försöka förutsäga nanokristallstrukturer som redan har observerats experimentellt. Därefter, vi skapade ett bibliotek med kristallstrukturer – inklusive de som erhållits experimentellt – som specificerar de relevanta experimentella parametrarna, såsom DNA-linkerförhållande och storleken på de DNA-ympade nanopartiklarna. Sedan körde vi den genetiska algoritmen för en önskad kristallstruktur som har observerats experimentellt, använda CCM som en framåtmodell. Vi var glada över att den genetiska algoritmen korrekt förutspådde de experimentella parametrarna som användes vid bildandet av den observerade strukturen."

Srinivasan, tidningens andra medförfattare, medger att den framåtriktade CCM-modellen som används i GA-ramverket för närvarande har vissa begränsningar. "Det förutsätter fullständig DNA-hybridisering inom kontaktområdena mellan två DNA-ympade partiklar som drivkraften bakom självmontering, " förklarar han. "I huvudsak, detta begränsar analysen till rent attraktiva interaktionseffekter. För att ge en mer komplett entalpisk bild, vi planerar att bygga frånstötande interaktioner mellan de icke-komplementära ssDNA-länkarna på nanopartiklarna." Entalpi är ett mått på den totala energin i ett termodynamiskt system.

"Vidare, "Srinivasan fortsätter, "entropi ger också en begränsning för det faktiska antalet hybridiserade länkar inom nanopartikelinteraktionsområdet, samt en kostnad för konfigurationen av partiklar i gittret – som båda håller på att byggas in i modellen. Dessutom, den nuvarande CCM definierar inte alltid unikt en kristallstruktur." Till exempel, han illustrerar, CCM kan inte skilja mellan strukturerna av CuAu (en koppar/guldlegering) och CsCl (cesiumklorid), eftersom i enhetscellen båda kristallerna har samma antal närmaste grannar och partikelfördelning. "Detta ger upphov till degenerationer som vi planerar att ta itu med genom att ytterligare förfina interaktionstyperna inom ett kristallgitter."

Att ta itu med dessa utmaningar var i sig ingen lätt bedrift. "Vårt designproblem kompliceras av de komplexa olinjära förhållandena mellan kolloidstorleksförhållanden, antalet DNA-linkers på varje nanopartikel och den önskade kristallstrukturen, Venkatasubramanian säger till Phys.org. "Detta leder till ett sökutrymme fyllt av lokala minima som är svårt att utforska med mer konventionella metoder som spår-och-fel, heuristik eller matematiska programmeringsmetoder." Den viktigaste innovationen här är det omvända designramverket som effektivt utnyttjar kunskapen från CCM (även känd som en framåtmodell) genom att kombinera den med den genetiska algoritmen (som är mer robust mot lokala minima), vilket resulterar i en mycket effektiv och skalbar designoptimeringsprocedur. "Genetiska algoritmer är hur naturen utformade komplicerade molekyler och organismer. Vi skapar i huvudsak situationer där vi tillåter "genpoolen" av DNA-ymmpningsparametrar att utvecklas mot det önskade – det vill säga, "fittest" – struktur med varje efterföljande generation."

Kumar påpekar också att de introducerade den mycket viktiga analysen av bestämning av klusterbildning. "CCM kräver en initial inmatning av kristallgitterparametrar och antar således kristallbildning givet alla DNA-ymmpningsparametrar. experimentellt, det finns stora regioner av klusterbildning som är resultatet av den kinetiska fångsten av dessa partiklar i ett metastabilt tillstånd under självmonteringsprocessen. För att förhindra att design faller inom gränserna för dessa klusterbildande regimer, vi utförde en symmetrianalys av modellen som står för ojämn fördelning av DNA-linkers på partiklar." Med andra ord, genom att införa en cutoff för denna distribution, forskarna kunde identifiera förekomsten av amorfa områden och klusterregioner som observerades tidigare i experiment. "Detta möjliggör sedan framtida ändringar av ramverket för att införliva en extra parameter i fitnessfunktionen, " han lägger till, "så att den kommer att känna igen och undvika dessa "dåliga" evolutionära vägar."

För närvarande, genom att ha ett annat mål jämfört med DNA-hybridisering, teamet inkluderar nya parametrar i modellen för att förbättra CCM med entropiska bidrag och frånstötande interaktioner. "Preliminära experimentella studier har visat att vår förfinade modell stämmer överens med experimentella resultat, " Srinivasan och Thi Vo noterar, "och en grundlig analys genomförs för närvarande för att utveckla en modell som unikt kommer att specificera alla 230 olika kristallrymdsgrupper, som sedan kommer att användas tillsammans med den genetiska algoritmen för design av kristallgitter. Vårt slutgiltiga mål är att skapa modellen på ett sådant sätt som endast använder parametrarna som definierar de DNA-ympade partiklarna." Nyckelpoängen här är att detta undviker behovet av passande konstanter samtidigt som vi utökar våra övergripande designmöjligheter, eftersom designparametrarna som härrör från det genetiska algoritmramverket endast kommer att involvera faktorer som forskarna experimentellt kan kontrollera.

Ett intressant och oväntat resultat var att deras fynd klargjorde fyra för närvarande oobserverade strukturer. "Bland kristallgitterbiblioteket skapat med hjälp av Inorganic Crystal Structure Database (ICSD), vi kunde identifiera parametrarna som potentiellt skulle kunna leda till bildandet av fyra nya kristallstrukturer tillsammans med de som har observerats experimentellt, Srinivasan och Vo berättar. "Dessa resultat är lovande och spelar en nyckelroll i utformningen av DNA-ympade nanomaterial." Han tillägger att ramverket är generiskt och kan utvidgas till rationell design av avancerade material – men med en försiktighet som till skillnad från molekylär dynamiska modeller, Framåtvägsmodellen bör vara beräkningseffektiv samtidigt som den tar hänsyn till viktiga aspekter av processen. "Vi tror att vår förbättrade CCM-strategi borde kunna hjälpa oss att designa strukturer som potentiellt skulle kunna skanna hela det kristallografiska utrymmet."

När det gäller att förbättra den nuvarande generiska algoritmen, Kumarsäger att den nuvarande CCM har två kontinuerliga variabler som är optimerade för önskade kristallstrukturer. "Dock, " påpekar han, "med våra planerade CCM-förbättringar, detta sökutrymme kommer att bli ännu större, och som nämnts fyllda med lokala minima som kan leda till tvetydiga resultat. Vi planerar att använda hybridgenetik, algoritmer som använder GA i kombination med traditionella icke-linjära optimeringsmetoder för att lokalisera de globala minima i det stora sökutrymmet av experimentella parametrar."

Går vidare, Kumar säger att andra innovationer du kan utveckla förutom att ha ssDNA-ympade nanopartiklar med sfärisk form, teamets medarbetare från Brookhaven National Laboratory (och medförfattare till det aktuella verket) har utfört experiment med att introducera externa motiv av olika former och dess effekt på den slutliga kristallstrukturen. "Olika former gör att vi kan kontrollera interaktionsintervallet och storleken mellan partiklar, och bildar därigenom kristallgitter som för närvarande är otillgängliga från att använda sfäriska partiklar. Vi undersöker redan dessa experiment och utvecklar strategier som kan användas i utformningen av olika nanokristallgitter, " han förklarar.

"Vår nuvarande forskning fokuserar på att utveckla entropibaserade modeller för att unikt definiera kristallgittren som skulle förklara bildandet av DNA-ympade nanomaterial, " Kumar fortsätter. "Experiment kommer att validera denna modell, som sedan kommer att användas i rationell design med GA-ramverket. Dessutom, vi planerar att utöka denna rationella designstrategi till kristallstrukturer med externa motiv som hjälper till med självmontering."

Att ta upp andra forskningsområden som kan dra nytta av deras studie, Venkatasubramanian säger att forskarna behöver ett nytt paradigm som ökar idéflödet, vidgar sökhorisonten, och arkiverar kunskapen från dagens framgångar för att påskynda morgondagens framgångar. "Vår ram tar upp denna utmaning, och i en mening, vi utnyttjar hur naturen upptäcker nya material genom den darwinistiska evolutionens modell genom att på lämpligt sätt kombinera den med beräkningsmetoder. Det är Darwin på steroider! Detta tillvägagångssätt kan potentiellt revolutionera materialdesign, " avslutar han, "påverka ett brett utbud av produkter som påverkar vårt dagliga liv, från droger och jordbrukskemikalier som bekämpningsmedel eller herbicider till bränsletillsatser, färger och lacker, och till och med personliga vårdprodukter som schampo."

© 2013 Phys.org. Alla rättigheter förbehållna.