由能源部太平洋西北国家实验室和洛杉矶加利福尼亚大学的研究团队领导的一项新的合作研究可以为工程师提供创建微电子，膜和组织的新设计规则，并为新材料开辟更好的生产方法。与此同时，这项发表在“科学”杂志上的研究有助于维护一个多世纪以来一直未经证实的科学理论。

根据PNNL，华盛顿大学，加州大学洛杉矶分校和其他地方的研究，正如儿童在休息后按照规则排列单个文件一样，一些材料使用基本规则一次一行地组装在表面上。成核 - 第一个形成步骤 - 在自然和技术的有序结构中普遍存在，从云滴到冰糖。然而，尽管美国科学家J. Willard Gibbs在19世纪70年代做出了一些预测，研究人员仍然在争论这个基本过程是如何发生的。这项新研究证实了吉布斯对逐行形成的材料的理论。该研究由华盛顿大学研究生陈嘉君在PNNL工作，揭示了潜在的机制，填补了基本的知识空白，开辟了材料科学的新途径。

Chen使用称为肽的小蛋白质片段，其显示出对材料表面的特异性或独特属性。UCLA合作者一直在鉴定和使用这种材料特异性肽作为控制剂，以迫使纳米材料生长成某些形状，例如催化反应或半导体器件中所需的形状。研究小组在研究特定肽(一种对二硫化钼具有强结合亲和力的肽)如何与该物质相互作用时发现了这一发现。“这是完全的意外发现，”PNNL材料科学家James De Yoreo说，他是该论文的共同撰稿人和陈的博士生导师。“我们没想到肽会聚集成他们自己的高度有序的结构。”这可能是因为“这种肽是从分子进化过程中鉴定出来的”，加州大学洛杉矶分校的材料科学家Yu Huang补充道。“看来大自然确实找到了最小化能耗和创造奇迹的方法。”

一排一排

液态水转化为固态冰需要产生固液界面。根据吉布斯的经典成核理论，尽管将水转化为冰可以节省能量，但创建界面会消耗能量。棘手的部分是最初的开始 - 那时新冰粒子的表面积与其体积相比较大，因此制造冰粒的成本比节省的要多。吉布斯的理论预测，如果材料可以在一个维度上生长，意味着逐行，那么就不存在这样的能量惩罚。然后材料可以避免科学家称之为成核屏障并且可以自由组装。

最近有关成核理论的争议。一些研究人员发现证据表明，基本过程实际上比Gibbs模型中提出的过程更为复杂。但是“这项研究表明，肯定存在Gibbs理论运作良好的情况，”De Yoreo说。以前的研究已经表明，一些有机分子，包括像科学论文中那样的肽，可以在表面上自组装。但是在PNNL，De Yoreo和他的团队深入挖掘并找到了一种方法来了解分子与材料的相互作用如何影响它们的成核和生长。他们将肽溶液暴露于二硫化钼底物的新鲜表面，测量与原子力显微镜的相互作用。然后他们将测量结果与分子动力学模拟进行了比较

De Yoreo和他的团队确定，即使在最早阶段，肽也可以一次一行地连接到材料上，无障碍，正如Gibbs的理论所预测的那样。原子力显微镜高成像速度使研究人员能够在形成时看到行。结果显示，行从一开始就按顺序排列，并且无论其大小如何都以相同的速度增长 - 这是一个关键的证据。一旦有足够的肽在解决方案中，它们也会形成新行，以便现有的行生长;只有当行形成无障碍时才会发生这种情况。

更好的控制

这种逐行过程为2D材料的设计提供了线索。目前，为了形成某些形状，设计师有时需要使系统远离平衡或平衡。De Yoreo说，这很难控制。“但是在一维中，在有序结构中形成物体的难度消失了，”他补充道。“那么你就可以在接近均衡的情况下进行操作，并且在不失去对系统的控制的情

它可以改变那些工程微电子甚至身体组织的组装路径。加州大学洛杉矶分校的Huang团队展示了基于通过解决方案中的相互作用组装的2D材料的设备的新机会。但她表示，目前用于制造此类材料的手工工艺具有局限性，包括扩大规模的能力。“现在有了新的认识，”黄说，“我们可以开始利用分子和二维材料之间的特定相互作用来进行自动装配过程。”De Yoreo说，下一步是制造与新论文中研究的肽具有相同特性的人工分子 - 仅更强大。在PNNL，他和他的团队正在寻找稳定的拟肽，它们与肽一样易于合成，但可以更好地处理工艺中使用的温度和化学品，以构建所需的材料。