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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書(shū)記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

首頁(yè) > 科研進(jìn)展

深圳先進(jìn)院等構(gòu)建出可趨化性運(yùn)動(dòng)的活性液滴系統(tǒng)

2024-11-11 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院

【字體：大中小】

語(yǔ)音播報(bào)

11月8日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員劉凱和荷蘭格羅寧根大學(xué)Sijbren Otto團(tuán)隊(duì)合作，在《自然-化學(xué)》（Nature Chemistry）上在線發(fā)表了題為Molecular-scale dissipative chemistry drives the formation of nanoscale assemblies and their macroscale transport的研究論文。該團(tuán)隊(duì)突破了耗散組裝系統(tǒng)中機(jī)械做功的難題，證明了高能態(tài)的耗散組裝體可作為能量轉(zhuǎn)化器，這為開(kāi)發(fā)活性材料提供了新視角。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)節(jié)耗散反應(yīng)的速率，控制組裝動(dòng)態(tài)和通訊行為，將耗散組裝和馬蘭戈尼效應(yīng)自組織整合起來(lái)，構(gòu)建了可趨化性運(yùn)動(dòng)的活性液滴系統(tǒng)。

該研究開(kāi)發(fā)了耗散酰胺鍵并構(gòu)筑了活性液滴。馬來(lái)酸酐和辛胺在水溶液中反應(yīng)得到一種酰胺化合物。這一化合物在酸性條件下易于水解。碳二亞胺可作為第二種燃料分子，驅(qū)動(dòng)二酸廢料與辛胺重新生成酰胺化合物，從而構(gòu)建耗散反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。在這一過(guò)程中，酰胺產(chǎn)物能夠通過(guò)分子間的靜電和疏水作用與辛胺組裝形成凝聚體液滴。這些液滴中的疏水區(qū)域有助于溶解馬來(lái)酸酐，進(jìn)而加速反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)自催化的生長(zhǎng)。

研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制化學(xué)燃料的添加，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)控。化學(xué)燃料能夠觸發(fā)反應(yīng)-組裝網(wǎng)絡(luò)中酰胺化合物與辛胺的濃度拮抗效應(yīng)，促進(jìn)液滴的震蕩式生長(zhǎng)；當(dāng)液滴完全水解消失后，加入化學(xué)燃料能夠使其再生，且這一循環(huán)可以重復(fù)多次，展現(xiàn)出瞬態(tài)結(jié)構(gòu)的特征。

進(jìn)一步，科研人員利用活性液滴與油酸之間的化學(xué)通訊，獲得了耗散組裝系統(tǒng)的機(jī)械功能。當(dāng)在液滴溶液表面滴加油酸時(shí)，水面上的液滴會(huì)向著油酸運(yùn)動(dòng)。這是由于液滴中水解釋放出的辛胺可被油酸吸收，從而在水-空氣界面上形成辛胺濃度梯度，導(dǎo)致表面張力的梯度變化。憑借馬蘭戈尼效應(yīng)，液體從低表面張力區(qū)域流向高表面張力區(qū)域，促使液滴發(fā)生運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，通過(guò)控制燃料分子的加入，可以調(diào)節(jié)液滴的運(yùn)動(dòng)速度和持續(xù)時(shí)間。

在上述系統(tǒng)中，化學(xué)燃料在分子尺度上驅(qū)動(dòng)酰胺鍵合成；在納微尺度上，促進(jìn)高能活性液滴的生成；在宏觀尺度上，推動(dòng)液體流動(dòng)而帶動(dòng)液滴定向運(yùn)動(dòng)。通過(guò)活性液滴和馬蘭戈尼回流兩種耗散結(jié)構(gòu)的耦合，實(shí)現(xiàn)了跨尺度的能量轉(zhuǎn)化。這一成果為控制馬蘭戈尼效應(yīng)提供了源-庫(kù)系統(tǒng)的調(diào)控方法，可用于物質(zhì)的精確傳送，并有望在構(gòu)建組裝圖案和活性流體方面發(fā)揮重要作用。同時(shí)，這一液滴系統(tǒng)由簡(jiǎn)單的分子構(gòu)成，可作為趨化性運(yùn)動(dòng)的原始細(xì)胞模型，進(jìn)而構(gòu)筑復(fù)雜群體行為。

薛定諤提出生命以負(fù)熵為生。普里高津提出耗散結(jié)構(gòu)理論，進(jìn)一步闡釋了能量在有序結(jié)構(gòu)演化中的作用。生物組裝體展現(xiàn)出這種能量耗散的特性。當(dāng)前，科學(xué)家借助化學(xué)手段，構(gòu)建了多種耗散組裝體系，獲得了瞬態(tài)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。而遠(yuǎn)離平衡態(tài)的涌現(xiàn)功能如機(jī)械功能相對(duì)稀缺。因此，需要拓展耗散組裝的研究范式來(lái)探索能量消耗帶來(lái)的獨(dú)特性質(zhì)與行為，這將有助于開(kāi)發(fā)復(fù)雜功能并深化科學(xué)家對(duì)生命活性的認(rèn)知。11月8日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員劉凱和荷蘭格羅寧根大學(xué)Sijbren Otto團(tuán)隊(duì)合作，在《自然-化學(xué)》（Nature Chemistry）上在線發(fā)表了題為Molecular-scale dissipative chemistry drives the formation of nanoscale assemblies and their macroscale transport的研究論文。該團(tuán)隊(duì)突破了耗散組裝系統(tǒng)中機(jī)械做功的難題，證明了高能態(tài)的耗散組裝體可作為能量轉(zhuǎn)化器，這為開(kāi)發(fā)活性材料提供了新視角。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)節(jié)耗散反應(yīng)的速率，控制組裝動(dòng)態(tài)和通訊行為，將耗散組裝和馬蘭戈尼效應(yīng)自組織整合起來(lái)，構(gòu)建了可趨化性運(yùn)動(dòng)的活性液滴系統(tǒng)。該研究開(kāi)發(fā)了耗散酰胺鍵并構(gòu)筑了活性液滴。馬來(lái)酸酐和辛胺在水溶液中反應(yīng)得到一種酰胺化合物。這一化合物在酸性條件下易于水解。碳二亞胺可作為第二種燃料分子，驅(qū)動(dòng)二酸廢料與辛胺重新生成酰胺化合物，從而構(gòu)建耗散反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。在這一過(guò)程中，酰胺產(chǎn)物能夠通過(guò)分子間的靜電和疏水作用與辛胺組裝形成凝聚體液滴。這些液滴中的疏水區(qū)域有助于溶解馬來(lái)酸酐，進(jìn)而加速反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)自催化的生長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制化學(xué)燃料的添加，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)控。化學(xué)燃料能夠觸發(fā)反應(yīng)-組裝網(wǎng)絡(luò)中酰胺化合物與辛胺的濃度拮抗效應(yīng)，促進(jìn)液滴的震蕩式生長(zhǎng)；當(dāng)液滴完全水解消失后，加入化學(xué)燃料能夠使其再生，且這一循環(huán)可以重復(fù)多次，展現(xiàn)出瞬態(tài)結(jié)構(gòu)的特征。進(jìn)一步，科研人員利用活性液滴與油酸之間的化學(xué)通訊，獲得了耗散組裝系統(tǒng)的機(jī)械功能。當(dāng)在液滴溶液表面滴加油酸時(shí)，水面上的液滴會(huì)向著油酸運(yùn)動(dòng)。這是由于液滴中水解釋放出的辛胺可被油酸吸收，從而在水-空氣界面上形成辛胺濃度梯度，導(dǎo)致表面張力的梯度變化。憑借馬蘭戈尼效應(yīng)，液體從低表面張力區(qū)域流向高表面張力區(qū)域，促使液滴發(fā)生運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，通過(guò)控制燃料分子的加入，可以調(diào)節(jié)液滴的運(yùn)動(dòng)速度和持續(xù)時(shí)間。在上述系統(tǒng)中，化學(xué)燃料在分子尺度上驅(qū)動(dòng)酰胺鍵合成；在納微尺度上，促進(jìn)高能活性液滴的生成；在宏觀尺度上，推動(dòng)液體流動(dòng)而帶動(dòng)液滴定向運(yùn)動(dòng)。通過(guò)活性液滴和馬蘭戈尼回流兩種耗散結(jié)構(gòu)的耦合，實(shí)現(xiàn)了跨尺度的能量轉(zhuǎn)化。這一成果為控制馬蘭戈尼效應(yīng)提供了源-庫(kù)系統(tǒng)的調(diào)控方法，可用于物質(zhì)的精確傳送，并有望在構(gòu)建組裝圖案和活性流體方面發(fā)揮重要作用。同時(shí)，這一液滴系統(tǒng)由簡(jiǎn)單的分子構(gòu)成，可作為趨化性運(yùn)動(dòng)的原始細(xì)胞模型，進(jìn)而構(gòu)筑復(fù)雜群體行為。

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