“該工作耗時三四年，中間經(jīng)歷了生娃、新冠、從德國回國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)象與機制，因為單篇論文工作量的限制等原因而未被展現(xiàn)?！比A中農(nóng)業(yè)大學工學院教授劉培文表示。

圖 | 劉培文（來源：劉培文）

在最新工作中，劉培文發(fā)現(xiàn)一個全新的自組裝模式，揭示了甲殼中生物光學結構可能的自然組裝過程。

以天然多彩甲殼為“靈感繆斯”，發(fā)現(xiàn)全新的自組裝模式

研究靈感來自昆蟲的甲殼，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、或納米級的多邊形雙折射結構單元。

審稿人評價稱：“全新的自組裝模式在復雜環(huán)境中的穩(wěn)定性令人驚訝，該自組裝模式表現(xiàn)出來的眾多特性，為解釋自然界中布林根的自組裝過程提供了可能性，對自組裝領域極具意義。”

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 | 相關論文（來源：Nano Today）

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

該結構廣泛存在于動植物體內(nèi)，比如螳螂蝦的鰲、魚類的鱗片以及一些果實的表皮?？梢哉f，布林根結構的存在，為動植物強韌的生物力學特征與絢麗的色彩表觀奠定了結構基礎。

（來源：劉培文）

因此，為進一步設計功能型光學與力學仿生材料，學界一直想理解布林根結構是如何從納米結構單元、構建到宏觀功能結構的。

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

（來源：劉培文）

但是，截止目前，實驗室所得結構基本都是單一等密度的層狀平行結構。另外，即使嚴苛控制揮發(fā)自組裝的過程，比如設定恒定而慢速的揮發(fā)、穩(wěn)定無任何擾動的揮發(fā)環(huán)境等，所得到的層狀結構中依然含有大量雜亂取向的結構，這直接會導致結構色混亂、多彩或力學結構存在易破壞點。

（來源：劉培文）

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

（來源：Nano Today）

在常見的一維納米材料揮發(fā)誘導自組裝過程中，懸濁液揮發(fā)界面上的納米顆粒會因為揮發(fā)而濃縮，進而形成小而分散的納米顆粒有序團聚體。但是，這些小的團聚體的密度大于周圍懸濁液的密度，因此會產(chǎn)生沉積、并逐漸堆疊到容器的底部，在持續(xù)的揮發(fā)-團聚-沉淀的過程中，這些小的有序團聚體會逐漸在容器底部相互融合、并形成大的團聚結構。

（來源：劉培文）

不過，這些沉積到底部的小團聚體各自的取向并不相同，因此在相互融合的過程中，需要較長時間去和水分子實現(xiàn)復雜的取向調(diào)整。

即使在揮發(fā)自組裝的過程中，對條件進行精細控制，并留出充足的自組裝時間，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，這些缺陷最終會被固定在整體結構中，再也無法被消除。

所以，利用傳統(tǒng)的揮發(fā)誘導自組裝，很難解釋生物體內(nèi)布林根結構在復雜生化條件下的穩(wěn)定構建過程。主要挑戰(zhàn)可總結為：

• 其一，所得結構總是含有大量缺陷，這導致光學結構存在混亂的顏色分布；

• 其二，所得結構處于大尺度尺寸時，結構往往比較單一，這和自然界中帶有取向變化的梯度結構不符；

• 其三，當前的自組裝過程對環(huán)境穩(wěn)定性的要求非常苛刻，這與構建復雜自然條件下的生命體功能結構并不吻合。

正因此，受到昆蟲的彩色甲殼由大量微米、或納米級多邊形顏色結構單元組成的現(xiàn)象所啟發(fā)，劉培文利用正多邊形毛細管和圓形毛細管，去模擬甲殼中的限域空間，從而進行甲殼素納米晶的揮發(fā)驅動自組裝。在該系統(tǒng)中，他實現(xiàn)了復雜變化環(huán)境中的穩(wěn)定自組裝，并發(fā)現(xiàn)了一個全新的揮發(fā)誘導自組裝模式。

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

（來源：Nano Today）

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

隨后，他觀察到在自組裝的全過程中，揮發(fā)面與初始沉積面的雙折射結構一直顯示為動態(tài)狀態(tài)，并表現(xiàn)出動態(tài)的顏色變化。

同時，在雙折射結構的顏色過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構是高度規(guī)則的。

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

（來源：Nano Today）

另外，在同一個橫截面上，層狀結構的密度也會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)的自然構建過程，還有另外一個致命缺陷，那就是對自組裝環(huán)境的穩(wěn)定性有著嚴苛要求，哪怕是細微干擾都會給自組裝過程帶來不可控制的干擾，這導致最后得到的結構會出現(xiàn)極大變化，但這與自然界中復雜多變環(huán)境下、生物體依然能穩(wěn)定構建生物功能結構的事實相背。

（來源：Nano Today）

而該研究中的限域揮發(fā)誘導自組裝（FB-EISA，fixed-boundary evaporation-induced self-assembly）對溫度的提高、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)誘導自組裝所形成的結構，與無干擾狀態(tài)相比，基本保持不變。且表現(xiàn)出在復雜環(huán)境下優(yōu)異的穩(wěn)定性，并為生物體布林根結構的構建提供一種可信的解釋途徑。

（來源：Nano Today）

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

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

• 第二，在整個系統(tǒng)中，相界面只有一個，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，通過高度有序結構后揮發(fā)出去，這使得存在的缺陷結構有足夠的機會去調(diào)整達到能量最低的平衡狀態(tài)；

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

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

圖 | 天然一維納米材料的廣泛應用潛力（來源：劉培文）

可用于制備納米光學結構和冷凍電鏡樣品等

在研究前期，劉培文本想研發(fā)甲殼素納米晶制備光學材料，后來他發(fā)現(xiàn)了一個全新的制備方法。當時，他嘗試使用大量甲殼素納米晶去制備上述材料，后來發(fā)現(xiàn)所得材料的光學結構均一性總是難以控制。

繼而，在利用顯微鏡觀測纖維素納米晶的高濃度懸濁液時，他發(fā)現(xiàn)蓋玻片與載玻片中間的懸濁液，在干燥過程中形成了均一的顏色結構（類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揮發(fā)自組裝存在一定影響。

當時，他對兩個玻璃片間的限域系統(tǒng)做了諸多調(diào)控，但始終沒有獲得好結果，后來偶然看見一篇報道提到昆蟲顏色的微觀結構，由一個個獨立多邊形顏色單元構成。受此啟發(fā)，他使用毛細管來模擬昆蟲甲殼顏色的限域空間，并進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。

（來源：Nano Today）

在應用上，該成果可用來制備大面積的均勻納米光學結構、構建仿生布林根功能結構、高分子晶體的制備、有機化學中的晶體獲取、獲得較大蛋白質(zhì)晶體即冷凍電鏡樣品等。

接下來，劉培文打算繼續(xù)對自組裝過程進行實時觀測，并結合模擬以便全面展示自組裝過程。同時，該過程中的被動揮發(fā)特性也很有意思，有望用于制備控制揮發(fā)的材料。對于其揮發(fā)機制，他認為也非常值得深入挖掘。

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