软双螺旋体是独特的不完美晶体

博士后研究员Xueyan Feng手持嵌段共聚物制成的双螺旋二十四面体“左”、“右”手性模型。通过纳米级切割和显微镜成像，研究人员发现双螺旋体的晶格并不完美。

 看似复杂的迷宫，其实可能很简单。试想，两个复杂的的迷宫交织在一起却又没有相互触碰，会产生怎样的“奇妙反应”。

近日，美国莱斯大学的材料科学家Ned Thomas等超越了想象，制造并分析了纳米尺度上、由软晶体构成的双螺旋二十四面体（下文简称螺旋体）“迷宫”，并在《自然》杂志中报道了他们的研究成果。此前，他们曾简单地认为，螺旋体构成的是完美形态，它的节点和连接杆可以无限重复排列。然而，事实却并非如此。他们发现，螺旋体结构中充满了扭曲形变。

 螺旋体是一种基于三重周期极小曲面的晶体，在没有受到限制前，它的几何结构允许其重复形式在三维空间中无限扩展。在自然界中，你偶尔也能发现它们的踪影，例如正是它使蝴蝶翅膀拥有了绚烂的色彩。螺旋体吸引科学家们关注之处在于，它是一种极具潜质的新型纳米材料，并且与光波和声波有独特的相互作用方式——在某些作用模式下，螺旋体对某些波或者波反射器来讲是“隐形”的。

 聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚苯乙烯（PS）的化学组合，可以在溶液中经自组装形成贯穿双螺旋体。由于构成贯穿网络的PDMS有所不同，其对信号产生的影响也可能不同，PDMS双螺旋体的可调性更强。但是，这一切设想的前提是：网络的每个结构单元都是完美的立方体。遗憾的是，论文第一作者、博士后研究员Xueyan Feng等认为，这种柔性双螺旋体的结构并不完美。Thomas说：“如果每个嵌在螺旋体内的3D图案都是完美的立方体，那么它会使材料与‘230号’（No.230）相对应。230号是空间组列表中的最后一个可能结构。石英晶体的对称性吸引了矿物学家和数学家的兴趣，他们发现了对称元素的所有空间排列方式——平移、旋转、反转和螺旋等。只有230种方式能让它们以自洽的方式组合在一起。我的团队于1994年首次在嵌段共聚物中发现了230号，然而直到现在，它并非完美立方体的事实才被发现。”

 借助莱斯大学的电子显微镜，研究人员重构了高分辨率的双螺旋体结构。他们发现，虽然双螺旋体的整体外观是“立方体”，但它的对称性出现了明显的扭曲。Thomas说：“工程师们制造这类材料时主要会采用溶剂蒸发法。由于溶剂蒸发时具有不均匀性，材料很容易产生形变。”尽管如此，研究人员仍在致力于完美立方结构的制造。Feng说：“去除重力的影响可能会有一定的效果。我们正在寻找一种均匀蒸发技术，减轻材料的各向压力。”

 Thomas总结说：“虽然大自然不明白什么是手性、空间群，但这些分子却足够‘聪明’，形成了这类特殊的结构。”

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编译：德克斯特 

审稿：三水  

责编：张梦

期刊来源：《自然》

期刊编号：0028-0836

原文链接：

https://news.rice.edu/2019/10/28/soft-double-gyroids-are-unique-but-imperfect-crystals/

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