手性，即左右對(duì)映異構(gòu)體的不對(duì)稱性，是許多生物體和無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)中普遍存在的重要特征。這一現(xiàn)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?yàn)樗粌H關(guān)乎生物體內(nèi)分子和結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，還涉及到新型功能材料的設(shè)計(jì)和合成。

在生物系統(tǒng)中，手性起源于特定的分子相互作用和組裝規(guī)則，例如蛋白質(zhì)、多糖和脂類分子的手性結(jié)構(gòu)對(duì)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(xiàn)了一些手性形態(tài)的形成規(guī)律，但其中許多細(xì)節(jié)仍然不清楚，例如生物體內(nèi)部不同尺度之間的相互作用、手性轉(zhuǎn)移的機(jī)制等問題。同時(shí)，在無(wú)機(jī)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(duì)于催化和光學(xué)性質(zhì)具有重要影響。然而，對(duì)于無(wú)機(jī)晶體中手性形成機(jī)制的理解相對(duì)較少，尤其是在納米尺度下的形態(tài)演化過程。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，韓國(guó)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(xì)胞自動(dòng)機(jī)和深度學(xué)習(xí)的方法，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果出發(fā)，系統(tǒng)地研究了金納米顆粒從無(wú)手性到手性形態(tài)的形成過程。通過將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，研究人員發(fā)現(xiàn)了兩種從無(wú)手性到手性形態(tài)的可區(qū)分路徑，并提出了相關(guān)的機(jī)制解釋。特別地，他們發(fā)現(xiàn)了手性最初是由對(duì)映高指數(shù)平面邊界的不對(duì)稱生長(zhǎng)所決定的，這為手性形態(tài)的生成機(jī)制提供了新的理論解釋。通過這一研究，科學(xué)家們不僅深入理解了手性形態(tài)的形成機(jī)制，還為預(yù)測(cè)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(zhǎng)規(guī)律，即晶體生長(zhǎng)的規(guī)則決定了金納米顆粒的形態(tài)演變過程。通過實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)據(jù)分析，研究者發(fā)現(xiàn)，金納米顆粒的生長(zhǎng)過程可以劃分為幾個(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(zhǎng)規(guī)律，即晶體生長(zhǎng)的規(guī)則決定了金納米顆粒的形態(tài)演變過程。圖1b通過實(shí)驗(yàn)觀察展示了兩種典型生長(zhǎng)過程的示意圖，展示了菱形十二面體生長(zhǎng)為432螺旋體III形態(tài)和立方體生長(zhǎng)為432螺旋體I形態(tài)的過程。圖1c描述了金納米顆粒形態(tài)演變的模型，包括基于細(xì)胞自動(dòng)機(jī)和深度學(xué)習(xí)的方法。這些模型通過識(shí)別局部形態(tài)更新規(guī)則，揭示了金納米顆粒形態(tài)演變的機(jī)制。    

圖1：432對(duì)稱手性晶體生長(zhǎng)和生成式元胞自動(dòng)機(jī)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(xì)節(jié)過程。研究者進(jìn)一步探究了金納米顆粒形態(tài)演變的細(xì)節(jié)過程，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(xùn)練數(shù)據(jù)，即初始種子、中間形態(tài)和最終形態(tài)的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果。圖2b和圖2e展示了兩個(gè)模型生成的形態(tài)轉(zhuǎn)換過程，分別從初始種子到最終形態(tài)的生長(zhǎng)過程。通過對(duì)比模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)觀察，研究者驗(yàn)證了這兩個(gè)模型的有效性，并發(fā)現(xiàn)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(zhǎng)過程中的形態(tài)特征，包括頂點(diǎn)的突出、邊緣的彎曲以及凹凸的微觀結(jié)構(gòu)。通過對(duì)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(jī)制，并提出了兩種模型以解釋不同形態(tài)的生長(zhǎng)過程。

圖2. 兩個(gè)模型RDH3和CBH1的訓(xùn)練和形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)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(jié)果。首先，通過對(duì)比低米勒指數(shù)晶面的形態(tài)，確認(rèn)了晶種對(duì)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(xiàn)完整的手性發(fā)展。此外，研究還發(fā)現(xiàn)種子的對(duì)稱性在手性生長(zhǎng)過程中得到了繼承，這一發(fā)現(xiàn)為理解手性形態(tài)的形成提供了重要線索。通過擴(kuò)展初始條件到高米勒指數(shù)晶面形態(tài)，研究者們發(fā)現(xiàn)了手性生長(zhǎng)的機(jī)制和晶體學(xué)起源之間的關(guān)聯(lián)。通過可視化分析，他們確定了特定種子形態(tài)對(duì)最終手性發(fā)展的影響，并觀察到了不同模型之間的可能交叉現(xiàn)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)的演變過程，以及S-手性棱角在手性生長(zhǎng)過程中的關(guān)鍵作用。通過對(duì)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(zhǎng)模式下晶面和棱角的特征變化。他們發(fā)現(xiàn)，S-手性棱角在形成手性特征中起著至關(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性和交叉現(xiàn)象的原因。此外，他們還觀察到了在不同生長(zhǎng)模式下晶面和棱角數(shù)量的特征趨勢(shì)，這進(jìn)一步揭示了手性形態(tài)的形成機(jī)制。    

圖4. RDH3和CBH1的晶體學(xué)分析。

本文展示了深度學(xué)習(xí)與細(xì)胞自動(dòng)機(jī)相結(jié)合的方法，可以用于解釋復(fù)雜的手性納米顆粒生長(zhǎng)過程，并揭示其中的關(guān)鍵機(jī)制。通過開發(fā)兩個(gè)代表性模型，我們能夠理解晶體對(duì)稱性的破缺和手性形態(tài)的形成路徑，從而為設(shè)計(jì)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(zhǎng)背后的規(guī)律，還為預(yù)測(cè)和探索新的現(xiàn)象和材料提供了重要工具。此外，本文還表明了細(xì)胞自動(dòng)機(jī)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(tǒng)，從而拓展了我們對(duì)生長(zhǎng)原理的認(rèn)識(shí)，并為未來(lái)納米材料設(shè)計(jì)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