前言 | 這篇Nature Materials，解鎖手性納米顆粒生長(cháng)規律！

手性，即左右對映異構體的不對稱(chēng)性，是許多生物體和無(wú)機結構中普遍存在的重要特征。這一現象在生物學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，因為它不僅關(guān)乎生物體內分子和結構的構建，還涉及到新型功能材料的設計和合成。

在生物系統中，手性起源于特定的分子相互作用和組裝規則，例如蛋白質(zhì)、多糖和脂類(lèi)分子的手性結構對于生物體的形態(tài)和功能至關(guān)重要。然而，盡管已經(jīng)發(fā)現了一些手性形態(tài)的形成規律，但其中許多細節仍然不清楚，例如生物體內部不同尺度之間的相互作用、手性轉移的機制等問(wèn)題。同時(shí)，在無(wú)機晶體中，手性也是普遍存在的，例如金屬納米顆粒的手性形態(tài)對于催化和光學(xué)性質(zhì)具有重要影響。然而，對于無(wú)機晶體中手性形成機制的理解相對較少，尤其是在納米尺度下的形態(tài)演化過(guò)程。

針對這一挑戰，韓國首爾大學(xué)Young Min Kim和 Ki Tae Nam教授等人在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“Investigating chiral morphogenesis of gold using generative cellular automata”的最新論文。本研究借助了細胞自動(dòng)機和深度學(xué)習的方法，從實(shí)驗結果出發(fā)，系統地研究了金納米顆粒從無(wú)手性到手性形態(tài)的形成過(guò)程。通過(guò)將實(shí)驗數據與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )相結合，研究人員發(fā)現了兩種從無(wú)手性到手性形態(tài)的可區分路徑，并提出了相關(guān)的機制解釋。特別地，他們發(fā)現了手性最初是由對映高指數平面邊界的不對稱(chēng)生長(cháng)所決定的，這為手性形態(tài)的生成機制提供了新的理論解釋。通過(guò)這一研究，科學(xué)家們不僅深入理解了手性形態(tài)的形成機制，還為預測和控制手性形態(tài)的生成提供了新的思路和方法。    

在圖1中，首先描述了金納米顆粒的生長(cháng)規律，即晶體生長(cháng)的規則決定了金納米顆粒的形態(tài)演變過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗觀(guān)察和數據分析，研究者發(fā)現，金納米顆粒的生長(cháng)過(guò)程可以劃分為幾個(gè)關(guān)鍵階段，每個(gè)階段都與特定的形態(tài)特征相關(guān)。圖1a展示了金納米顆粒的生長(cháng)規律，即晶體生長(cháng)的規則決定了金納米顆粒的形態(tài)演變過(guò)程。圖1b通過(guò)實(shí)驗觀(guān)察展示了兩種典型生長(cháng)過(guò)程的示意圖，展示了菱形十二面體生長(cháng)為432螺旋體III形態(tài)和立方體生長(cháng)為432螺旋體I形態(tài)的過(guò)程。圖1c描述了金納米顆粒形態(tài)演變的模型，包括基于細胞自動(dòng)機和深度學(xué)習的方法。這些模型通過(guò)識別局部形態(tài)更新規則，揭示了金納米顆粒形態(tài)演變的機制。    

圖1：432對稱(chēng)手性晶體生長(cháng)和生成式元胞自動(dòng)機generative cellular automata，GCA。    

在圖2中，研究者進(jìn)一步探究了金納米顆粒形態(tài)演變的細節過(guò)程。研究者進(jìn)一步探究了金納米顆粒形態(tài)演變的細節過(guò)程，并提出了兩個(gè)模型：RDH3和CBH1。圖2a描述了這兩個(gè)模型的訓練數據，即初始種子、中間形態(tài)和最終形態(tài)的實(shí)驗觀(guān)察結果。圖2b和圖2e展示了兩個(gè)模型生成的形態(tài)轉換過(guò)程，分別從初始種子到最終形態(tài)的生長(cháng)過(guò)程。通過(guò)對比模擬結果和實(shí)驗觀(guān)察，研究者驗證了這兩個(gè)模型的有效性，并發(fā)現初始種子的晶體學(xué)形態(tài)是決定最終形態(tài)的關(guān)鍵因素之一。圖2c和圖2g描述了生長(cháng)過(guò)程中的形態(tài)特征，包括頂點(diǎn)的突出、邊緣的彎曲以及凹凸的微觀(guān)結構。通過(guò)對這些形態(tài)特征的分析，研究者揭示了金納米顆粒形態(tài)演變的機制，并提出了兩種模型以解釋不同形態(tài)的生長(cháng)過(guò)程。

圖2. 兩個(gè)模型RDH3和CBH1的訓練和形態(tài)發(fā)生轉變。

圖3展示了不同種子初始條件下的最終形態(tài)以及各種模型的相關(guān)結果。首先，通過(guò)對比低米勒指數晶面的形態(tài)，確認了晶種對手性發(fā)展程度的影響。RDH3模型中，{110}晶面的種子成功發(fā)展出手性形態(tài)，而CBH1模型則需要{100}晶面的立方體種子才能實(shí)現完整的手性發(fā)展。此外，研究還發(fā)現種子的對稱(chēng)性在手性生長(cháng)過(guò)程中得到了繼承，這一發(fā)現為理解手性形態(tài)的形成提供了重要線(xiàn)索。通過(guò)擴展初始條件到高米勒指數晶面形態(tài)，研究者們發(fā)現了手性生長(cháng)的機制和晶體學(xué)起源之間的關(guān)聯(lián)。通過(guò)可視化分析，他們確定了特定種子形態(tài)對最終手性發(fā)展的影響，并觀(guān)察到了不同模型之間的可能交叉現象。                   

圖3. RDH3和CBH1的初始條件和各自的最終形態(tài)。

圖4則進(jìn)一步分析了RDH3和CBH1模型中晶體學(xué)狀態(tài)的演變過(guò)程，以及S-手性棱角在手性生長(cháng)過(guò)程中的關(guān)鍵作用。通過(guò)對比兩個(gè)模型的晶體學(xué)位點(diǎn)的分布情況，研究人員揭示了不同生長(cháng)模式下晶面和棱角的特征變化。他們發(fā)現，S-手性棱角在形成手性特征中起著(zhù)至關(guān)重要的作用，而不同模型中的晶體學(xué)位點(diǎn)偏好性則解釋了種子依賴(lài)性和交叉現象的原因。此外，他們還觀(guān)察到了在不同生長(cháng)模式下晶面和棱角數量的特征趨勢，這進(jìn)一步揭示了手性形態(tài)的形成機制。    

圖4. RDH3和CBH1的晶體學(xué)分析。

本文展示了深度學(xué)習與細胞自動(dòng)機相結合的方法，可以用于解釋復雜的手性納米顆粒生長(cháng)過(guò)程，并揭示其中的關(guān)鍵機制。通過(guò)開(kāi)發(fā)兩個(gè)代表性模型，我們能夠理解晶體對稱(chēng)性的破缺和手性形態(tài)的形成路徑，從而為設計和控制具有特定手性的納米材料提供了新的思路。這種方法不僅有助于理解納米顆粒生長(cháng)背后的規律，還為預測和探索新的現象和材料提供了重要工具。此外，本文還表明了細胞自動(dòng)機模型可以推廣到其他領(lǐng)域，包括生物礦化和納米顆粒組裝等多種系統，從而拓展了我們對生長(cháng)原理的認識，并為未來(lái)納米材料設計和合成提供了新的思路和方法。   

原文詳情：Im, S.W., Zhang, D., Han, J.H. et al. Investigating chiral morphogenesis of gold using generative cellular automata. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01889-x