如果你对 DNA 纳米科学与技术、生物医学工程、超分子化学等领域有所关注，那么对于美国四院院士、美国西北大学国际纳米技术研究所所长教授查德·米尔金 （Chad Mirkin） 所领导的团队应该并不陌生。

2022 年 1 月 13 日，由来自北京的王顺智博士（及 Sangmin Lee 博士、杜竞杉博士）担任共同第一作者，由查德·米尔金教授及合作者莎伦·格罗泽 (Sharon Glotzer）教授担任共同通讯作者的论文，以《胶体晶体中基于类电子产生的化合价态》（The Emergence of Valency in Colloidal Crystals Through Electron Equivalents）为题发表在 Nature Materials 上[1]。

图 | 王顺智（来源：王顺智）

本文是他在西北大学博士期间所做工作。目前，王顺智在华盛顿大学大卫·贝克(David Baker) 组从事蛋白质设计相关博后研究。很快他就将完成博后研究回国，将在 2022 年底寻找国内教职，计划明年秋季入职。

揭示类电子新概念，或可成为制备新材料的新范式

近年来，DNA 纳米技术是一个蓬勃发展的领域。得益于 DNA 精妙的三维双螺旋结构（固定的螺距和直径）、以及序列可编辑性，让一直以来作为遗传信息载体的 DNA 被引入材料学领域，使其在诱导各种超分子材料，比如蛋白质和纳米粒子进行三维有序组装上，有着其他材料远远不及的优势。

因为有别于传统原子及分子晶体，这些由纳米粒子组装成的三维有序阵列材料被称为胶体晶体，它可用于先进生物材料、光电传感器、激光通信和计算等应用。

尽管自然界中存在大量低对称性的结构，但是自组装形成的胶体晶体，往往很难形成低对称性的结构。

这是因为绝大多数纳米颗粒是各向同性的，这使它们的结构在所有方向上均为一致，并倾向于高度对称的紧密排列。

此次研究则致力于打破上述对称性的局限，并探索和展示了一种新材料设计方法和基本原理，解决了此前领域内的核心问题。

此次王顺智和合作者们采取的策略，很大程度上建立在从 2019 年开创的一系列基于类电子（electron equivalents）的工作基础之上 [2]。

想要了解类电子，先得知道可编程原子等价物（programmable atom equivalents，PAEs）。可编程原子等价物指的是作为构筑单元的 DNA-纳米颗粒复合物，类电子指的是可编程原子等价物在特定条件下的表现类似于金属中的电子云。电子云的本质也是一种微观粒子，是物理和化学中的一个重要概念。

在这些系列研究中，他们使用表面涂有 DNA 的金属纳米粒子用来制造晶体。

具体来说，王顺智利用 DNA 作为可编码的键合材料，并设计了大小两种纳米粒子，其中较大的粒子可被视作原子等价物，而较小的纳米粒子就像金属原子晶体中的电子一样移动。

在类电子这一工作中，王顺智和合作者们首次发现在宏观材料中原子等价物和类电子的二相性，并指出超晶格材料中的构筑基元粒子，不必不局限于单一晶胞中，而是能像经典模型中的电子那样在金属中流动。

他表示，该工作创立了类电子这一新概念，亦描述了它在原子等价物胶体晶体中的一系列行为和理论基础。

不过，他也坦言当时尚未解决的问题是获知这些胶体晶体的形成过程、以及如何编程目标结构。

（来源：Science）

而本次发表在 Nature Materials 的论文，报道了王顺智利用类电子控制化合价、从而控制晶体对称性的方法。

该工作既突破了传统胶体晶体局限于高对称性的突破，也对这一类新型胶体晶体的形成做以系统性解释。

要知道在化学中，化合价与原子周围的电子排列有关。它决定着原子能形成的键的数量、以及可呈现的几何形状。

本次工作显示，对嫁接到类电子和原子等价物表面的DNA链的密度比例做以调整，即可改变基于类电子的价态。

基于此，王顺智合成了九种不同的晶体结构，其中三个新的低对称结晶相均是首次在胶体晶体中被发现，前两个具有元素类似物即体心四方和高压镓相，而第三个三重双螺旋结构已知没有天然等价物。

接下来，他使用电子显微镜结合分子动力学模拟，去研究类电子与原子等价物的当量比随价态的变化，以及它们在空间的分布情况。

（来源：Nature Materials）

在相应条件下，类电子的空间分布打破了各向同性原子等价物的对称性，类似于金属原子周围的价电子、或是配位点的各向异性分布，这时就会产生一组明确的配位几何结构、以及三个新的低对称结晶相。

（来源：Nature Materials）

最后，王顺智发现由于类电子的高度流动性，改变温度会导致它们在晶格中的排布方式发生变化，从而引起晶体的可逆相变。

概括来说，这一系列研究揭示类电子这一概念，或可成为制备新材料的新范式。

将对纳米光学和生物计算器件产生潜在影响

问及研究步骤，王顺智说：“这里我试试从一个类比历史发展的角度回答这个问题。”

原子和电子是物质组成的基本单元，它们很久以前就已经存在，不过直到100多年前才分别被原子核物理学之父欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）、和英国物理学家约瑟夫约翰汤姆生（Joseph John Thomson）发现。

自此以后，基于原子和电子的概念和理论不断发展，驱动了20世纪基础物理和化学学科的快速发展，其中美国著名化学家吉尔伯特·刘易斯（Gilbert N. Lewis）最先提出了原子基于电子形成共价化学键，从而形成分子和晶体的经典理论，并由此载入大学化学教科书。

与原子间基于共价键形成分子不同，在更大的尺度上，分子之间相互作用乃是通过一系列非共价键，包括范德华力、静电力、氢键、亲疏水作用等。

然而分子间相互作用非常复杂，缺乏统一的理论框架对其进行描述和预测。因此，尽管有序排列的分子、或曰超分子是生活中各种重要材料的基石，但是我们对于如何有效控制分子形成微纳米尺度的新型功能材料、比如各种生物材料和光学器件依然知之甚少。

而本次研究正建立在这一大背景下，并实现了针对编程和操控分子形成宏观材料原理上的突破。

研究中，王顺智的第一个设想是，能否设计一种宏观的类电子，借此形成纳米尺度的化学键，从而用于自组装形成新的结构和纳米材料。

在该工作里，他首次提出基于 DNA 编程的类电子的空间分布可被视作一种胶体键，且具有化学价键的特性，并能指导原子等价物形成晶体。

他说：“这一概念出乎了我们以及众多领域内科研人员的意料，也是突破性的。”

研究中，一个重要的研究思路是通过类电子和自然界电子性质的类比，相比电子所具有的性质比如概率式空间分布、流动性、以及键合形式等，类电子是否同样会具有？

与此同时，该工作也并非孤立存在，而是他所创立的类电子系列工作中重要一环。

以下是 4 个由王顺智作为第一作者、及共同第一作者所主导的研究工作。

2019 年，他和团队首次报道了类电子（上文已做介绍）[2]，包括建立“原子-类电子”二相性、类电子的流动性等理论工作。

此后，他和团队继续报道了利用类电子制备胶体合金的成果，它们是由类电子与 2-5 种不同尺寸的原子等价物所形成。由此，他合成了不同的胶体合金，包括间隙型合金、取代合金、混合物合金、金属互化物合金等 [3]。

（来源：JACS）

后续，他们又利用精确合成的小分子模板取代了纳米颗粒，合成了具有特定数量 DNA 的类电子，从而为从分子层面精准控制这一新的材料体系建立了扎实的基础 [4]。

（来源：JACS）

而本次工作首次实现了基于类电子的价态设计，可有效用于制备新的胶体晶体材料，类电子系列工作也变得更加完备。

电子最重要的性质是导电性，王顺智认为基于类电子的流动性，有可能设计出类似的体系，并能在宏观胶体晶体中达到对颗粒的定性导通，甚至于形成胶体半导体作为逻辑门。这些研究将有可能对量子通信和计算产生潜在影响。

他表示，类电子导电性是一个潜在的后续研究计划，将有可能作为自己独立研究的一个方向。

“迄今为止我最为满意的选择”

回顾此次研究，王顺智说：“作为实验科学工作者，我在这一系列工作中得以和从事分子动力学模拟计算的合作者莫妮卡·奥尔维拉·德·拉·克鲁兹（Monica Olvera de La Cruz）教授、以及莎伦·格罗泽（Sharon Glotzer）教授及其课题组深度合作。此次合作让我深切领略到实验与理论相结合的重要性，也间接促成了我在博士后期间跨出大领域，没有继续停留在 DNA 纳米技术领域，而是追随大卫·贝克教授学习蛋白质的计算设计，打开了一扇新世界的大门。”

王顺智是北京人，生于 1991 年。其本科在美国公立研究型大学-北卡莱罗纳大学教堂山分校（UNC-Chapel Hill）学习化学专业，从大一开始就接触到科研工作，并对金属有机化学产生了浓厚兴趣。

他说：“非常感谢林文斌教授和莫里斯·布鲁克哈特（Maurice Brookhart）院士，接纳我在他们的实验室工作并给予悉心指导。二位老师为人谦和，为学严谨，激发了我对科研的浓厚兴趣，也使我获得了北卡大学本科毕业生的最高荣誉 。”

读博时，他来到美国西北大学（Northwestern university），导师是查德·米尔金（Chad Mirkin）教授。查德是 DNA 纳米材料和化学领域的一位领袖级科学家，研究团队中博士后和学生加起来超过 70 人。

博士最后两年，王顺智完成了对于新领域的首次探索：从无机-有机杂合纳米颗粒的合成和表面修饰，转变到基于 DNA 的材料自组装研究，即上述类电子系列工作。期间和查德合著了十余篇第一作者的文章。

如果你听说过 AlphaFold，那么对华盛顿大学蛋白设计研究所教授大卫·贝克（David Baker）研发的同类算法 RoseTTAFold 应该也不陌生。目前，王顺智在华盛顿大学大卫·贝克组做博后研究。后者是计算蛋白设计领域的开创者也是两院院士，指导着 100 多人的研究团队，在热门方向的研究中硕果累累，包括蛋白质折叠预测、蛋白-蛋白相互作用、生物检测、酶催化、疫苗设计、蛋白材料等。

王顺智认为：“从 DNA 领域转至计算蛋白设计，是我学术道路上第二次重要选择，也是迄今为止我最为满意的选择。虽然一开始有很多计算机编程知识和结构生物学知识要补，但我很快学习适应，并提出了多个新课题，当下也已获得重要突破，下一个新论文即将发表。”

在新的方向中，他充分领略到基础科学与信息及数字技术（包括人工智能与深度学习）相结合，所产生的先进生产力、以及诸多以前从未想象过的创造力。

未来，他希望能建立自己的实验室，并打算结合 DNA 与计算设计的蛋白质材料，以期在可编程自组装、超分子化学和生物医学中继续探索。

参考：
1. Wang, S., Lee, S., Du, J. S. et al. "The Emergence of Valency in Colloidal Crystals through Electron Equivalents," Nat. Mater. 2022. https://doi.org/10.1038/s41563-021-01170-5.