港大&中科院物理所 Nature Nanotechnology：人工合成系统实现群体智能！基于化学偶联的复合物模拟自然界共生系统

【背景介绍】

复杂性系统一般特指由大量去中心化的基本单元集合而成的体系。在这种系统中，每个基本单元从个体上看很相似而且遵从一定的运动规则。通过大量个体单元的相互作用，复杂性系统涌现出神奇的集群行为、复杂的信息处理和自适应现象。例如自然界中的鱼群、鸟群和菌群。近年来，人工合成活性物质由于其在生物医学领域的潜在应用价值，以及可作为非平衡态物理和凝聚态物理的理想模型体系，从而引起了研究人员的兴趣。值得注意的是，具有复杂功能的活性纳米颗粒被认为是可以用于复杂任务的微型机器人。然而，由于尺寸所限，将复杂的逻辑电路整合到单个微纳机器人中还面临巨大的挑战，限制了其功能。因此，目前需要探索利用大量简单粒子，通过建立粒子间的相互作用网络产生的集体智能，以实现高级复杂的功能。

【成果简介】

近日，香港大学唐晋尧副教授和中科院物理研究所杨明成研究员（共同通讯作者）等人受到微生物共生系统的启发，报道了一种由两个化学偶联物质组成的最小复杂系统，其中一个物质的“产物”正好是另一个物质的“营养物”。这种化学偶联建立了两个粒子的非互易性相互作用，实现了复杂的动态自组织和共识决策行为。通过粗粒度模型表明，颗粒间渗透相互作用和化学通讯机制对于形成群聚智能都是必不可少的。研究成果以题为“Ion-exchange enabled synthetic swarm”发布在国际著名期刊Nature Nanotechnology上。

【图文解读】

图一、不同物种间的交换信息及本研究所用的模型系统
（a）两个独立的活性粒子A和B的示意图，其中黑点α和黄点β分别表示从A和B释放的化学“废物”；

（b）ZnO纳米棒晶体结构的示意图，优先在（0001）平面溶解；

（c）Zn²⁺和OH^-的异步扩散推动ZnO纳米棒移动示意图以及在20 µs内观察到的ZnO纳米棒在去离子水中的迁移轨迹；

（d）磺化PS之间的电渗相互作用示意图；

（e）磺化PS通过正向趋化作用向浸有Zn²⁺的琼脂糖凝胶迁移。

图二、ZnO纳米棒与磺化PS的离子交换作用
（a）ZnO纳米棒和磺化PS之间的离子交换示意图；

（b）单个ZnO纳米棒的轨迹显示与磺化PS组装而增强了推进力；

（c）（b）中相应的ZnO纳米棒的迁移速度；

（d）ZnO纳米棒与磺化PS形成ZnO-磺化PS复合物，其中磺化PS的轨迹对应于它们的瞬时速度而着色；

（e）磺化PS的速度及其与ZnO纳米棒分离距离的关系。

图三、ZnO-磺化PS体系的3D速度场和pH分布
（a）在ZnO纳米棒（Z=0  μm）附近的四个高度（Z=0, 6, 10, 14 μm）上，磺化PS的400个轨迹的3D速度场显示粒子在沿着基底排出之前被吸引到基底上方的ZnO上；

（b）在共焦显微镜下，通过3D扫描记录磺化PS的3D轨迹，红色箭头表示迁移方向；

（c-e）共焦显微镜测量了ZnO纳米棒与磺化PS离子交换过程中的2D和3D pH区域值，并与数值模拟进行比较。

图四、ZnO-磺化PS混合物的群聚行为的实验和模拟研究
（a）磺化PS聚集在ZnO纳米棒周围，并且形成团簇；

（b）通过有吸引力的渗透作用，相邻ZnO-磺化PS团簇的内聚力；

（c-d）游离磺化PS和ZnO-磺化PS团簇队列行进；

（e）ZnO-磺化PS团簇进一步聚集；

（f）ZnO-磺化PS混合物的大规模集群行为;

（g）粗粒度的模拟结果由ZnO-磺化PS混合物的聚集所致；

（h）不具有依赖活性的ZnO-磺化PS混合物的粗粒度模拟。

图五、不同边界条件下ZnO-磺化PS复合物的宏观图
（a）培养皿中ZnO-磺化PS活性混合物（1 μg/ml ZnO纳米棒和0.1 μg/ml 磺化PS颗粒）的相分离行为；

（b）ZnO-磺化PS系统在圆形限制下的模拟；

（c）具有不同限制几何形状的群体共识机制。

【小结】

综上所述，作者展示了ZnO纳米棒和磺化PS微球之间的离子交换相互作用，以及由此产生的集体智能行为。通过将ZnO纳米棒和磺化PS微球混合，形成了ZnO-磺化PS复合物，并且从微观到宏观建立了群聚、相分离和集群共识行为。作者的数值模型表明，非互易性相互作用对于这些丰富的集体行为的出现至关重要。该研究结果表明，离子交换反应可能是构建活性粒子之间复杂的化学相互作用的一种通用工具，对于理解和设计新的响应性活性物质具有重要意义。

文献链接：Ion-exchange enabled synthetic swarm（Nature Nanotechnology, 2021, DOI: 10.1038/s41565-020-00825-9）

通讯作者简介

唐晋尧教授，于2003年在中国科学技术大学获得学士学位（师从侯建国院士），2008年在美国哥伦比亚大学获得博士学位（师从Professor Colin Nuckolls），并于2008-2012年在加州大学伯克利分校师从杨培东教授开展博士后研究工作。期间，一直致力于光电、热电等纳米器件以及纳米催化体系的研究，在硅基热电纳米器件、单根纳米线太阳能电池、单根纳米管DNA测序、半导体设计光催化全分解水等领域做出了多项开创性工作。2012年加入香港大学化学系展开独立工作以来，主要从事功能微纳米机器人的设计开发、仿生智能胶体体系的设计、以及光电、热电等纳米器件的研究。迄今为止在Science, Nat. Nanotechnol., Proc. Natl. Acad. Sci., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Adv. Mater., Nano Lett., Acc. Chem. Res.等著名国际期刊上发表科研论文40篇左右，申请授权美国专利9项，论文总引用超过4200次，H-index为24。

团队介绍

这项工作是由港大化学系纳米材料研究课题组完成，课题组由唐晋尧副教授领导，团队现有博士后2名，博士研究生9名。近5年内，团队在纳米材料领域，尤其是纳米机器人领域发表了一系列重要成果，包括Nat.Nanotechnol. （2篇），Nat.Commun. （2篇），Adv.Mater. （2篇），Acc. Chem. Res. （1篇），ACS.Nano. (1篇) 等等。

详见课题组主页：https://chemistry.hku.hk/staff/jytang/jytang/main.htm

课题组现有软物质研究方向博士后研究员的职位空缺，有活性软物质体系物理和化学研究经验的博士欢迎联系咨询。

本文由CQR编译。

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