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就像玩俄罗斯方块,我们可以用光控制物质自由“编队”

你是否也有过这样的好奇:准备早餐时,当你将环形的谷物脆麦圈倒入盛有牛奶的碗里,发现一个个小小的脆麦圈自发地聚集在一起,形成各种图案——是什么神秘的力量,在引导这一切的发生?

在科学上,这叫“麦圈效应(Cheerios effect)”,特指麦圈在液体界面上自发组装的现象。利用“麦圈效应”,西湖大学工学院智能高分子材料实验室最近开发出一种光控物体程序化组装和重构的新技术,不仅可以主动调控组装单元间的相互作用力大小和方向,还能实现对聚集体结构的有效调控和重构。

该研究成果于北京时间11月13日发表于Nature Communications,西湖大学2018级博士生胡志明、清华大学博士生方维为论文共同第一作者,西湖大学工学院智能高分子材料实验室吕久安特聘研究员、清华大学工程力学系冯西桥教授是本文的共同通讯作者。

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19522-1


从一碗麦脆圈,讲什么是组装


在智能高分子材料实验室的这一成果中,常常出现“组装”这一关键词。那么,什么是组装?

组装,在任何尺度下普遍存在,是自然界物质形成结构的途径,是功能产生的基础。当我们把尺度放到极小如纳米(10-9 m),可以看到蛋白质通过氢键、范德华力等相互作用,组装形成空间多级结构,而空间结构决定了蛋白质特定的生理功能;当我们将尺度放到极大如天体(109 m),地球、金星等天体通过万有引力,组装成太阳系,形成宇宙星系的一员。

一直以来,科学家们都希望可以控制物质的组装过程,目的是通过调控物质结构来实现功能的设计和升级。

今天我们要讨论的组装技术,离我们日常生活很近,发生的尺度在微米到厘米之间。除了在本文开头提到了早餐脆麦圈,生活中的“麦圈效应”还有不少,例如,如果将一把回形针放在水面上,它们也会聚集组装成各种图案。

“麦圈效应”的背后隐藏着界面物理原理:漂浮在液面上的物体,会导致其周围液体界面的形状发生曲率变化,从而形成了液体界面形变场;多个物体的界面形变场之间会相互作用耦合,形变场中曲率方向相同的部分会相互吸引,反之则排斥。界面形变场的曲率分布与物体的几何形状和表面润湿性有关,决定了物体间的组装行为和组装结构。

生活中可以观察到的“麦圈效应”现象。图片来自网络


受“麦圈效应”的启发,科学家们找到了一种在微米到厘米尺度上控制物体组装的方法。在近二十年里,先后有科学家利用“麦圈效应”,实现了液体界面上微小物体的有序组装。然而,在这些研究中,使用的组装单元都是由非智能响应材料组成,其几何形状固定不变。这意味着这些组装单元一旦处于液体界面上,其组装结构由其固有几何形状和表面润湿性控制,无法主动调控组装的行为及结构。

也就是说,以往的研究都是被动地利用了“麦圈效应”。


从俄罗斯方块,讲“可逆转变重构”


既然物质的结构与其功能密切相关,那我们是否能够找到一种主动利用“麦圈效应”的方法,更灵活地控制物质的组装呢?

智能高分子材料实验室从大自然中找到了灵感。

水生昆虫Anurida maritima液面组装行为。图片来自网络


在自然界中,有种叫Anurida maritima 的水生昆虫,当它们改变身体弯曲姿态时,周围液体界面形变场就会发生曲率分布的变化。于是,当这种水生昆虫聚集在一起时,它们可以通过不断改变身体姿态,调控彼此间的组装结构。

受此启发,智能高分子材料实验室团队将光致响应形变材料作为组装单元,利用光对组装单元的动态和程序化形状操控,开发出了光控组装新技术。这项新技术可以主动调控组装单元间的相互作用力大小和方向,能够有效实现对聚集体结构的调控和重构,实现了主动利用“麦圈效应”实现程序化和重构化组装。

吕久安(右)与胡志明(左)


如果我们将结构想象成俄罗斯方块,通过光控组装结构,可以使其在多种俄罗斯方块结构之间“切换”,并且这种“切换”是可逆的、可重复的。也就是说,可以根据调控者的意愿,使物质在多种形态间自由切换。这一技术还可以光控产生手性结构的组装体,并光控手性结构可逆转变。

组装结构的光控可逆转变

手性组装结构的光控转变

利用这一技术,当体系中组装单元数量增加时,可以光控产生结构丰富的组装体。就好比如果俄罗斯方块的积木形状变多,那我们用来消除行数的搭建组合也会大大增加。智能高分子材料实验室估算,当组装单元达到9个时,组装的结构可达上万种之多,且这些组装结构之间均可根据操作者的意图重复可逆相互转变。

不仅如此,这项新技术还能够在多层流体界面上实现三维立体结构的协同光控组装。

丰富的光控组装结构及其可逆转变

三维立体多级协同光控组装示意图

这项组装新技术的开发,不仅可以启发科学家和工程师去设计模块化的功能结构,用于开发自动化和程序化组装的机器人和设备,实现集群机器人主动生成多种形貌来适应不同属性的任务需求。三维多级协同光控组装还可以用于生物工程领域动态构筑多级梯度支架结构以培养细胞和组织。

也许,在未来的某一天,我们将拥有更灵活的“变形金刚”,变化的形态和功能比孙悟空的七十二变还要多得多;而那些人工设计的生物组织、医疗器械,也将在这一技术的加持下变得拥有更大的想象空间。