留德回歸學(xué)者揭示甲殼中光學(xué)結構的自然組裝過(guò)程，并發(fā)現全新仿生自組裝機制，可用于制備納米光學(xué)結構和冷凍電鏡樣品

“該工作耗時(shí)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。很多有意思的現象與機制，因為單篇論文工作量的限制等原因而未被展現?！比A中農業(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)現一個(gè)全新的自組裝模式，揭示了甲殼中生物光學(xué)結構可能的自然組裝過(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(jià)稱(chēng)：“全新的自組裝模式在復雜環(huán)境中的穩定性令人驚訝，該自組裝模式表現出來(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(shí)，這些層狀結構的取向會(huì )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(dòng)植物體內，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)，布林根結構的存在，為動(dòng)植物強韌的生物力學(xué)特征與絢麗的色彩表觀(guān)奠定了結構基礎。

（來(lái)源：劉培文）

因此，為進(jìn)一步設計功能型光學(xué)與力學(xué)仿生材料，學(xué)界一直想理解布林根結構是如何從納米結構單元、構建到宏觀(guān)功能結構的。

此前，已有大量研究利用動(dòng)植物體內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(lèi)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(shù)難度相對友好的揮發(fā)驅動(dòng)自組裝，即依靠納米材料之間的弱相互作用力，去實(shí)現納米顆粒之間的排布重組，從而實(shí)現最佳排布。

（來(lái)源：劉培文）

但是，截止目前，實(shí)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(guò)程，比如設定恒定而慢速的揮發(fā)、穩定無(wú)任何擾動(dòng)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(huì )導致結構色混亂、多彩或力學(xué)結構存在易破壞點(diǎn)。

（來(lái)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，原因在于利用傳統溶液澆筑法、去進(jìn)行揮發(fā)誘導的自組裝模式，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)誘導自組裝過(guò)程中，懸濁液揮發(fā)界面上的納米顆粒會(huì )因為揮發(fā)而濃縮，進(jìn)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?chē)鷳覞嵋旱拿芏?，因此?huì )產(chǎn)生沉積、并逐漸堆疊到容器的底部，在持續的揮發(fā)-團聚-沉淀的過(guò)程中，這些小的有序團聚體會(huì )逐漸在容器底部相互融合、并形成大的團聚結構。

（來(lái)源：劉培文）

不過(guò)，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(guò)程中，需要較長(cháng)時(shí)間去和水分子實(shí)現復雜的取向調整。

即使在揮發(fā)自組裝的過(guò)程中，對條件進(jìn)行精細控制，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(zhù)不斷揮發(fā)和堆積，這些缺陷最終會(huì )被固定在整體結構中，再也無(wú)法被消除。

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

• 其一，所得結構總是含有大量缺陷，這導致光學(xué)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(shí)，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(guò)程對環(huán)境穩定性的要求非?？量?，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(chóng)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(jìn)行甲殼素納米晶的揮發(fā)驅動(dòng)自組裝。在該系統中，他實(shí)現了復雜變化環(huán)境中的穩定自組裝，并發(fā)現了一個(gè)全新的揮發(fā)誘導自組裝模式。

據悉，當毛細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)面始終保持穩定。而傳統的揮發(fā)誘導自組裝過(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構，均可使用偏振光顯微鏡觀(guān)測到。劉培文發(fā)現，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(dòng)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(guān)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構一直顯示為動(dòng)態(tài)狀態(tài)，并表現出動(dòng)態(tài)的顏色變化。

同時(shí)，在雙折射結構的顏色過(guò)渡部分存在明顯的顏色界限，但卻并未出現雜亂排布的雙折射顏色，這意味著(zhù)所形成的微觀(guān)結構是高度規則的。

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

（來(lái)源：Nano Today）

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

（來(lái)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(wú)干擾狀態(tài)相比，基本保持不變。且表現出在復雜環(huán)境下優(yōu)異的穩定性，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(lái)源：Nano Today）

經(jīng)過(guò)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(shí)作為初始沉積面；

• 第二，在整個(gè)系統中，相界面只有一個(gè)，完整并且連續，并且不是平面的，水的揮發(fā)需要從低濃度區向高濃度區滲透，通過(guò)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(huì )去調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(cháng)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有序結構的生長(cháng)提供了模版。

綜上所述，在理解自然界布林根結構的形成過(guò)程上，此次發(fā)現的全新自組裝模式：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(lái)源：劉培文）

可用于制備納米光學(xué)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(xué)材料，后來(lái)他發(fā)現了一個(gè)全新的制備方法。當時(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)現所得材料的光學(xué)結構均一性總是難以控制。

繼而，在利用顯微鏡觀(guān)測纖維素納米晶的高濃度懸濁液時(shí)，他發(fā)現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構（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揮發(fā)自組裝存在一定影響。

當時(shí)，他對兩個(gè)玻璃片間的限域系統做了諸多調控，但始終沒(méi)有獲得好結果，后來(lái)偶然看見(jiàn)一篇報道提到昆蟲(chóng)顏色的微觀(guān)結構，由一個(gè)個(gè)獨立多邊形顏色單元構成。受此啟發(fā)，他使用毛細管來(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）

在應用上，該成果可用來(lái)制備大面積的均勻納米光學(xué)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(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)，劉培文打算繼續對自組裝過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)測，并結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。對于其揮發(fā)機制，他認為也非常值得深入挖掘。

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