南湖新聞網訊（通訊員 劉斐）近日，我校yl7703永利劉培文研究員研究成果以“Biomimetic confined self-assembly of chitin nanocrystals”為題在Nano Today發表。研究在設計的甲殼素納米晶在限域空間中的揮發自組裝中發現了全新的固定界面揮發自組裝模式（FB-EISA）,該模式下所形成微觀結構中的變化取向梯度結構以及自組裝過程對複雜環境的強穩定性，極好的掃清了目前揮發自組裝策略在被用來解釋生物體三維功能結構形成過程中的阻礙，特别為理解Bouligand結構的天然形成過程進而重新設計與構建類似的精細結構提供了新思路。
甲殼素的天然納米單元在三維空間上有序排布所形成的Bouligand結構廣泛存在于天然生命體内，為許多生物的堅固力學以及多彩的生物光學奠定了結構基礎。研究者們一直希望能夠利用合适的機制去解釋Bouligand結構的天然形成過程進而重新設計與構建類似的精細結構，其中，自組裝策略被認為極具潛力。然而，目前利用自組裝過程來合理地解釋生物體内Bouligand結構的形成依然是一個極大的挑戰。
以往研究發現，利用傳統的揮發誘導甲殼素納米晶（或其它類似的一維納米材料-纖維素納米晶）自組裝來獲得類似的結構時，常存在以下三個問題，即所得到的結構常含有大量的缺陷，這導緻其光學結構常存在混亂的顔色分布；所得結構大尺度上結構單一（平行結構），與自然界中的帶有取向變化的梯度結構不相符合；現有的自組裝過程對環境穩定性的要求苛刻，這與複雜自然條件下的生命體功能結構的構建不吻合。其主要原因是目前所使用的自組裝模式存在固有的缺陷。傳統的揮發誘導自組裝（Classical EISA），其揮發面與固體結構的初始形成面是分離并且不穩定的（圖1）。這導緻在揮發的過程中，揮發面的溶質或者納米顆粒會因為揮發而形成大量分散的、具有有序堆疊結構的小顆粒（Tactoids）。這些小顆粒因為密度高于周邊溶液，會逐漸沉澱到底部并堆積融合，造成缺陷結構。因此，為了得到足夠均勻的結構，在傳統的揮發誘導自組裝的過程中，一般會要求足夠長的自組裝時間以及基本不變的自組裝環境。
圖1-傳統的揮發誘導自組裝模式VS該工作提出的新的揮發自組裝機制
研究工作人員受到昆蟲甲殼顔色結構是由一個個極小的顔色單元構成的事實啟發，創造性的将甲殼素納米晶的揮發自組裝在一個極小的空間-規則毛細管（圓形或者正多邊形）内進行，從而甲殼素納米晶懸濁液在揮發自組裝的過程中表現出了與傳統揮發誘導自組裝完全不一樣的特征，即甲殼素納米晶懸濁液的揮發面錨定在毛細管的末端，另一個在毛細管内部的甲殼素納米晶懸濁液液面不斷的地向錨定在毛細管末端的揮發面移動，這使得揮發面與初始沉積面實現了重合，并且兩者一直保持着穩定的狀态（圖2A）。
圖2-甲殼素納米晶限域自組裝的雙折射結構
在限域揮發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都被使用偏振光顯微鏡觀測，發現甲殼素納米晶因為揮發被誘導形成的有序結構在偏振光顯微鏡下顯示為梯度、多彩以及動态的兩種雙折射結構：一種是多層抛物面結構，另外一種是嵌套多層的管狀雙折射結構（圖2）。經過觀測，揮發面與初始沉積面的雙折射結構在自組裝的全過程中一直顯示為動态狀态，表現為動态顔色變化。在橫截面與縱截面的雙折射結構的顔色過渡部分有明顯的顔色界限，沒有發現雜亂排布的雙折射顔色，這意味着所形成的微觀結構是高度規則的。另外，在形成高度有序結構區域與甲殼素納米晶非有序結構區域的分界處未發現甲殼素納米結構的聚集體（Tactoids），這表明報道的限域揮發誘導自組裝與前面發現的傳統的揮發誘導自組裝過程不同。
圖3-甲殼素納米晶限域自組裝所形成的微觀結構
同時，甲殼素納米晶經限域揮發誘導自組裝所形成的微觀結構也被Micro-CT與SEM進行了詳盡的觀測。與傳統揮發誘導自組裝中隻有平行的層狀結構不同，本工作所得的微觀結構是一個三維的梯度密度結構，從揮發面存在的毛細管末端向内，層狀的甲殼素納米晶結構的密度越來越小。另外，在同一個橫截面上，層狀結構的密度也随着與中心的距離變短而變小。同時，在中間态的固體結構中，發現本自組裝的層狀結構不僅僅隻是平行結構，而是有多維度的變化，這與自然界中昆蟲有一定的變化層狀結構相符合。
圖4-該限域自組裝對複雜環境優異的穩定性
傳統的自組裝過程都對環境的穩定性有着嚴苛的要求，哪怕細微的幹擾都将對自組裝過程有不可控制的幹擾，導緻最後得到的結構有極大的變化。該工作中的限域揮發誘導自組裝（FB-EISA）對溫度的提高、震蕩以及與重力的夾角變化都不敏感（圖4）。幹擾狀态FB-EISA所形成的結構，與無幹擾狀态相比，基本保持不變。表現出在複雜環境下優異的穩定性，為生物體Bouligand結構的構建提供一種可信的解釋途徑。經過作者仔細的研究以及推導，該FB-EISA行為如此特殊特征的原因如下（圖1B）：揮發面固定在毛細管的末端，該揮發面同時作為初始沉積面；在整個系統中，相界面隻有一個，完整并且連續，并且不是平面的，水的揮發需要從低濃度區向高濃度區滲透，通過高度有序結構後揮發出去，這使得存在的缺陷結構有足夠的機會去調整達到能量最低的平衡狀态；甲殼素納米晶的生長不是Tactoids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稱為後續有序結構的生長提供了模版。
該全新的揮發誘導自組裝模式的發現對理解天然Bouligand結構的形成、構建均勻的納米功能結構以及獲得較大的有機、高分子與蛋白質晶體具有重要的意義。
永利為第一單位，劉培文研究員為論文第一作者，安徽大學王加秀教授，東北林業大學戚後娟博士為共同第一作者，哥廷根大學Kai Zhang教授為通訊作者。
審核人：劉培文
【英文摘要】
It is a longstanding challenge to aptly describe the natural assembly process of chitin Bouligand organization as well as biomimetic construct these position-dependent structures with the isolated chitin nanodomains. Here, we report a fixed-boundary evaporation-induced self-assembly (FB-EISA) modality using chitin nanocrystals (ChNCs) in the capillaries, where the generation of continuous and ordered anisotropic phase relies on the growth of phase boundary towards the opposite direction of water evaporation. Distinct from the previous EISA modalities with the moving evaporation interface, the pinned air-liquid interface at the end of capillaries in a confined environment acts as the evaporation interface and initial deposition site of ChNCs simultaneously. During the whole self-assembly process via successive evaporation, the generation of droplets-like ChNCs clusters known as tactoids is suppressed. Therefore, continuous birefringent multi-layers as nested multiple paraboloid structures of ChNCs with a density gradient are gradually generated, before cylindrical tubes are formed finally. The FB-EISA process can be accelerated by heat and maintains stable regardless of vibration or different capillary opening directions relative to gravity direction. This FB-EISA modality in confined geometry allows rapid formation of ChNCs-based photonics-quality structure of larger length scales and enables us to deepen our understanding of the natural self-assembly process in diverse biological species.
論文鍊接：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101420.
