“該工作耗時(shí)三四年，中間經(jīng)歷了生娃、新冠、從德國(guó)回國(guó)工作等一系列人生大事，也讓研究受到了諸多干擾。很多有意思的現(xiàn)象與機(jī)制，因?yàn)閱纹撐墓ぷ髁康南拗频仍蚨幢徽宫F(xiàn)?！比A中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院教授劉培文表示。

圖 | 劉培文（來(lái)源：劉培文）

在最新工作中，劉培文發(fā)現(xiàn)一個(gè)全新的自組裝模式，揭示了甲殼中生物光學(xué)結(jié)構(gòu)可能的自然組裝過(guò)程。

以天然多彩甲殼為“靈感繆斯”，發(fā)現(xiàn)全新的自組裝模式

研究靈感來(lái)自昆蟲(chóng)的甲殼，這些殼不僅色彩艷麗，而且非常一致有規(guī)律。原因在于甲殼含有大量微米、或納米級(jí)的多邊形雙折射結(jié)構(gòu)單元。

審稿人評(píng)價(jià)稱：“全新的自組裝模式在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性令人驚訝，該自組裝模式表現(xiàn)出來(lái)的眾多特性，為解釋自然界中布林根的自組裝過(guò)程提供了可能性，對(duì)自組裝領(lǐng)域極具意義?！?/span>

近日，該論文以《甲殼素納米晶體的仿生受限自組裝》（Biomimetic confined self-assembly of chitin nanocrystals）為題發(fā)表在 Nano Today 上。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Nano Today）

此次發(fā)表的研究背景在于，生命體中有許多功能強(qiáng)大、卻復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，它們均由天然微納單元組裝而成。布林根（Bouligand）結(jié)構(gòu)正是這樣一種多層三維結(jié)構(gòu)，每層都由纖維狀納米結(jié)構(gòu)平行排布而成。同時(shí)，這些層狀結(jié)構(gòu)的取向會(huì)在厚度方向上逐漸旋轉(zhuǎn)，從而形成螺旋 3D 結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)廣泛存在于動(dòng)植物體內(nèi)，比如螳螂蝦的鰲、魚(yú)類(lèi)的鱗片以及一些果實(shí)的表皮?？梢哉f(shuō)，布林根結(jié)構(gòu)的存在，為動(dòng)植物強(qiáng)韌的生物力學(xué)特征與絢麗的色彩表觀奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

（來(lái)源：劉培文）

因此，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)功能型光學(xué)與力學(xué)仿生材料，學(xué)界一直想理解布林根結(jié)構(gòu)是如何從納米結(jié)構(gòu)單元、構(gòu)建到宏觀功能結(jié)構(gòu)的。

此前，已有大量研究利用動(dòng)植物體內(nèi)布林根最小結(jié)構(gòu)單元、即纖維素納米晶或者甲殼素納米晶之類(lèi)的一維納米材料，去重新構(gòu)建布林根結(jié)構(gòu)。最常用的策略是技術(shù)難度相對(duì)友好的揮發(fā)驅(qū)動(dòng)自組裝，即依靠納米材料之間的弱相互作用力，去實(shí)現(xiàn)納米顆粒之間的排布重組，從而實(shí)現(xiàn)最佳排布。

（來(lái)源：劉培文）

但是，截止目前，實(shí)驗(yàn)室所得結(jié)構(gòu)基本都是單一等密度的層狀平行結(jié)構(gòu)。另外，即使嚴(yán)苛控制揮發(fā)自組裝的過(guò)程，比如設(shè)定恒定而慢速的揮發(fā)、穩(wěn)定無(wú)任何擾動(dòng)的揮發(fā)環(huán)境等，所得到的層狀結(jié)構(gòu)中依然含有大量雜亂取向的結(jié)構(gòu)，這直接會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)色混亂、多彩或力學(xué)結(jié)構(gòu)存在易破壞點(diǎn)。

（來(lái)源：劉培文）

此外，相同密度的層狀結(jié)構(gòu)，與自然界中具有梯度密度的布林根結(jié)構(gòu)也不相符，原因在于利用傳統(tǒng)溶液澆筑法、去進(jìn)行揮發(fā)誘導(dǎo)的自組裝模式，本身存在一定限制。

（來(lái)源：Nano Today）

在常見(jiàn)的一維納米材料揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝過(guò)程中，懸濁液揮發(fā)界面上的納米顆粒會(huì)因?yàn)閾]發(fā)而濃縮，進(jìn)而形成小而分散的納米顆粒有序團(tuán)聚體。但是，這些小的團(tuán)聚體的密度大于周?chē)鷳覞嵋旱拿芏龋虼藭?huì)產(chǎn)生沉積、并逐漸堆疊到容器的底部，在持續(xù)的揮發(fā)-團(tuán)聚-沉淀的過(guò)程中，這些小的有序團(tuán)聚體會(huì)逐漸在容器底部相互融合、并形成大的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)。

（來(lái)源：劉培文）

不過(guò)，這些沉積到底部的小團(tuán)聚體各自的取向并不相同，因此在相互融合的過(guò)程中，需要較長(zhǎng)時(shí)間去和水分子實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的取向調(diào)整。

即使在揮發(fā)自組裝的過(guò)程中，對(duì)條件進(jìn)行精細(xì)控制，并留出充足的自組裝時(shí)間，依然很難讓取向不一致的情況完全消失。隨著不斷揮發(fā)和堆積，這些缺陷最終會(huì)被固定在整體結(jié)構(gòu)中，再也無(wú)法被消除。

所以，利用傳統(tǒng)的揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝，很難解釋生物體內(nèi)布林根結(jié)構(gòu)在復(fù)雜生化條件下的穩(wěn)定構(gòu)建過(guò)程。主要挑戰(zhàn)可總結(jié)為：

• 其一，所得結(jié)構(gòu)總是含有大量缺陷，這導(dǎo)致光學(xué)結(jié)構(gòu)存在混亂的顏色分布；

• 其二，所得結(jié)構(gòu)處于大尺度尺寸時(shí)，結(jié)構(gòu)往往比較單一，這和自然界中帶有取向變化的梯度結(jié)構(gòu)不符；

• 其三，當(dāng)前的自組裝過(guò)程對(duì)環(huán)境穩(wěn)定性的要求非常苛刻，這與構(gòu)建復(fù)雜自然條件下的生命體功能結(jié)構(gòu)并不吻合。

正因此，受到昆蟲(chóng)的彩色甲殼由大量微米、或納米級(jí)多邊形顏色結(jié)構(gòu)單元組成的現(xiàn)象所啟發(fā)，劉培文利用正多邊形毛細(xì)管和圓形毛細(xì)管，去模擬甲殼中的限域空間，從而進(jìn)行甲殼素納米晶的揮發(fā)驅(qū)動(dòng)自組裝。在該系統(tǒng)中，他實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜變化環(huán)境中的穩(wěn)定自組裝，并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝模式。

據(jù)悉，當(dāng)毛細(xì)管中的甲殼素納米晶懸濁液在揮發(fā)時(shí)，揮發(fā)界面會(huì)錨定在毛細(xì)管的末端。并且，在揮發(fā)的全過(guò)程中，甲殼素納米晶會(huì)不斷向該界面聚集，這時(shí)便實(shí)現(xiàn)了揮發(fā)面和初始沉積面的重合，在自組裝過(guò)程中揮發(fā)面始終保持穩(wěn)定。而傳統(tǒng)的揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝過(guò)程中，所有揮發(fā)面與沉積面是分離的。

（來(lái)源：Nano Today）

在限域揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝的過(guò)程中，甲殼素納米晶懸濁液、以及所形成的有序結(jié)構(gòu)，均可使用偏振光顯微鏡觀測(cè)到。劉培文發(fā)現(xiàn)，甲殼素納米晶因揮發(fā)而被誘導(dǎo)形成的有序結(jié)構(gòu)，在偏振光顯微鏡下顯示為梯度、多彩、以及動(dòng)態(tài)的兩種雙折射結(jié)構(gòu)：其中一種是多層拋物面結(jié)構(gòu)，另外一種是嵌套多層的管狀雙折射結(jié)構(gòu)。

隨后，他觀察到在自組裝的全過(guò)程中，揮發(fā)面與初始沉積面的雙折射結(jié)構(gòu)一直顯示為動(dòng)態(tài)狀態(tài)，并表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的顏色變化。

同時(shí)，在雙折射結(jié)構(gòu)的顏色過(guò)渡部分存在明顯的顏色界限，但卻并未出現(xiàn)雜亂排布的雙折射顏色，這意味著所形成的微觀結(jié)構(gòu)是高度規(guī)則的。

另外，在有序結(jié)構(gòu)區(qū)域和甲殼素納米晶非有序結(jié)構(gòu)區(qū)域的分界處，并未發(fā)現(xiàn)甲殼素納米結(jié)構(gòu)的聚集體，這說(shuō)明該研究中的限域揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝、和此前發(fā)現(xiàn)的傳統(tǒng)揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝過(guò)程不同。

（來(lái)源：Nano Today）

另外，在同一個(gè)橫截面上，層狀結(jié)構(gòu)的密度也會(huì)隨著與中心的距離變短而變小。而利用傳統(tǒng)的自組裝模式去解釋生物體內(nèi)的自然構(gòu)建過(guò)程，還有另外一個(gè)致命缺陷，那就是對(duì)自組裝環(huán)境的穩(wěn)定性有著嚴(yán)苛要求，哪怕是細(xì)微干擾都會(huì)給自組裝過(guò)程帶來(lái)不可控制的干擾，這導(dǎo)致最后得到的結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)極大變化，但這與自然界中復(fù)雜多變環(huán)境下、生物體依然能穩(wěn)定構(gòu)建生物功能結(jié)構(gòu)的事實(shí)相背。

（來(lái)源：Nano Today）

而該研究中的限域揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝（FB-EISA，fixed-boundary evaporation-induced self-assembly）對(duì)溫度的提高、震蕩以及與重力的夾角變化都不敏感。干擾狀態(tài)的限域揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝所形成的結(jié)構(gòu)，與無(wú)干擾狀態(tài)相比，基本保持不變。且表現(xiàn)出在復(fù)雜環(huán)境下優(yōu)異的穩(wěn)定性，并為生物體布林根結(jié)構(gòu)的構(gòu)建提供一種可信的解釋途徑。

（來(lái)源：Nano Today）

經(jīng)過(guò)研究以及推導(dǎo)，劉培文認(rèn)為該限域揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝的行為、如此特殊特征的原因主要在于：

• 第一，揮發(fā)面固定在毛細(xì)管的末端，該揮發(fā)面同時(shí)作為初始沉積面；

• 第二，在整個(gè)系統(tǒng)中，相界面只有一個(gè)，完整并且連續(xù)，并且不是平面的，水的揮發(fā)需要從低濃度區(qū)向高濃度區(qū)滲透，通過(guò)高度有序結(jié)構(gòu)后揮發(fā)出去，這使得存在的缺陷結(jié)構(gòu)有足夠的機(jī)會(huì)去調(diào)整達(dá)到能量最低的平衡狀態(tài)；

• 第三，甲殼素納米晶層的生長(zhǎng)不是堆積，而是在相界面上的局部脫水相變，前面所形成的有序結(jié)構(gòu)層為后續(xù)有序結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)提供了模版。

綜上所述，在理解自然界布林根結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程上，此次發(fā)現(xiàn)的全新自組裝模式：固定界面揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝/限域揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝具有極大潛力，對(duì)構(gòu)建均勻的納米功能結(jié)構(gòu)、以及獲得大型有機(jī)高分子和蛋白質(zhì)晶體均有重要意義。

圖 | 天然一維納米材料的廣泛應(yīng)用潛力（來(lái)源：劉培文）

可用于制備納米光學(xué)結(jié)構(gòu)和冷凍電鏡樣品等

在研究前期，劉培文本想研發(fā)甲殼素納米晶制備光學(xué)材料，后來(lái)他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的制備方法。當(dāng)時(shí)，他嘗試使用大量甲殼素納米晶去制備上述材料，后來(lái)發(fā)現(xiàn)所得材料的光學(xué)結(jié)構(gòu)均一性總是難以控制。

繼而，在利用顯微鏡觀測(cè)纖維素納米晶的高濃度懸濁液時(shí)，他發(fā)現(xiàn)蓋玻片與載玻片中間的懸濁液，在干燥過(guò)程中形成了均一的顏色結(jié)構(gòu)（類(lèi)似論文后被其它課題組發(fā)在 Advanced materials 上），這證明限域空間可能對(duì)揮發(fā)自組裝存在一定影響。

當(dāng)時(shí)，他對(duì)兩個(gè)玻璃片間的限域系統(tǒng)做了諸多調(diào)控，但始終沒(méi)有獲得好結(jié)果，后來(lái)偶然看見(jiàn)一篇報(bào)道提到昆蟲(chóng)顏色的微觀結(jié)構(gòu)，由一個(gè)個(gè)獨(dú)立多邊形顏色單元構(gòu)成。受此啟發(fā)，他使用毛細(xì)管來(lái)模擬昆蟲(chóng)甲殼顏色的限域空間，并進(jìn)行了甲殼素納米晶的限域自組裝，最終誕生了如今這篇論文。

（來(lái)源：Nano Today）

在應(yīng)用上，該成果可用來(lái)制備大面積的均勻納米光學(xué)結(jié)構(gòu)、構(gòu)建仿生布林根功能結(jié)構(gòu)、高分子晶體的制備、有機(jī)化學(xué)中的晶體獲取、獲得較大蛋白質(zhì)晶體即冷凍電鏡樣品等。

接下來(lái)，劉培文打算繼續(xù)對(duì)自組裝過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，并結(jié)合模擬以便全面展示自組裝過(guò)程。同時(shí)，該過(guò)程中的被動(dòng)揮發(fā)特性也很有意思，有望用于制備控制揮發(fā)的材料。對(duì)于其揮發(fā)機(jī)制，他認(rèn)為也非常值得深入挖掘。

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