“該工作耗時三四年，中間經歷了生娃、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。”華中農業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，劉培文發現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”，發現全新的自組裝模式

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境中的穩定性令人驚訝，該自組裝模式表現出來的眾多特性，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）為題發表在 Nano Today 上。

圖 | 相關論文（來源：Nano Today）

此次發表的研究背景在于，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，比如螳螂蝦的鰲、魚類的鱗片以及一些果實的表皮。可以說，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驅動自組裝，即依靠納米材料之間的弱相互作用力，去實現納米顆粒之間的排布重組，從而實現最佳排布。

（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，即使嚴苛控制揮發自組裝的過程，比如設定恒定而慢速的揮發、穩定無任何擾動的揮發環境等，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，原因在于利用傳統溶液澆筑法、去進行揮發誘導的自組裝模式，本身存在一定限制。

（來源：Nano Today）

在常見的一維納米材料揮發誘導自組裝過程中，懸濁液揮發界面上的納米顆粒會因為揮發而濃縮，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，因此會產生沉積、并逐漸堆疊到容器的底部，在持續的揮發-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復雜的取向調整。

即使在揮發自組裝的過程中，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，利用傳統的揮發誘導自組裝，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境穩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象所啟發，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驅動自組裝。在該系統中，他實現了復雜變化環境中的穩定自組裝，并發現了一個全新的揮發誘導自組裝模式。

據悉，當毛細管中的甲殼素納米晶懸濁液在揮發時，揮發界面會錨定在毛細管的末端。并且，在揮發的全過程中，甲殼素納米晶會不斷向該界面聚集，這時便實現了揮發面和初始沉積面的重合，在自組裝過程中揮發面始終保持穩定。而傳統的揮發誘導自組裝過程中，所有揮發面與沉積面是分離的。

（來源：Nano Today）

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，均可使用偏振光顯微鏡觀測到。劉培文發現，甲殼素納米晶因揮發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，揮發面與初始沉積面的雙折射結構一直顯示為動態狀態，并表現出動態的顏色變化。

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，并未發現甲殼素納米結構的聚集體，這說明該研究中的限域揮發誘導自組裝、和此前發現的傳統揮發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。而利用傳統的自組裝模式去解釋生物體內的自然構建過程，還有另外一個致命缺陷，那就是對自組裝環境的穩定性有著嚴苛要求，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極大變化，但這與自然界中復雜多變環境下、生物體依然能穩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。干擾狀態的限域揮發誘導自組裝所形成的結構，與無干擾狀態相比，基本保持不變。且表現出在復雜環境下優異的穩定性，并為生物體布林根結構的構建提供一種可信的解釋途徑。

（來源：Nano Today）

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

• 第一，揮發面固定在毛細管的末端，該揮發面同時作為初始沉積面；

• 第二，在整個系統中，相界面只有一個，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，通過高度有序結構后揮發出去，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態；

• 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，此次發現的全新自組裝模式：固定界面揮發誘導自組裝/限域揮發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，劉培文本想研發甲殼素納米晶制備光學材料，后來他發現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，后來發現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，他發現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在 Advanced materials 上），這證明限域空間可能對揮發自組裝存在一定影響。

當時，他對兩個玻璃片間的限域系統做了諸多調控，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，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、獲得較大蛋白質晶體即冷凍電鏡樣品等。

接下來，劉培文打算繼續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特性也很有意思，有望用于制備控制揮發的材料。對于其揮發機制，他認為也非常值得深入挖掘。

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