湖南大学研究生(湖南大学研究生院)

湖南大学研究生，湖南大学研究生院

自然界中的生物体拥有独特的环境自适应能力。他们能够通过多尺度的自动调节反馈机制在不同的时间和空间上实现化学能与机械能的相互转变，从而精确控制适应周围的局域环境。这种自适应能力不仅使得生物体能够不断地对其周遭环境变化（比如说温度、光照、压力等）及时做出响应，同时能够多层次地协调生理反应，使得生命体从细胞，组织，器官甚至到系统都能够有序协同运行。比如说人体可以通过皮肤这样一种多功能多响应的材料实现对多变环境的快速适应：在热天午后通过打开毛孔以及出汗来降热，遇冷后起鸡皮疙瘩，暴晒后皮肤变黑等等。也因此我们可以看出通过向自然学习，制备这样一类具有自适应能力的智能材料势必会在诸如节能建筑、航空安全以及药物释放等重要领域得到广泛应用，而这也成为了一个不断受到重视的研究课题。

近日，湖南大学谢柑华团队构建了一类新型的具有自适应能力的材料体系：他们利用具有疏水末端的阳离子脂质材料配体(DOTAP)与磺化纤维素纳米晶体(CNC)在油水界面进行组装，在液滴界面形成纳米颗粒表面活性剂（NPS）单层，给液滴穿上了一层“外衣”。当液滴体积减小时，液滴表面积减小，该“外衣“结构发生压缩和堵塞，产生褶皱；然后通过一个动态的自反馈调节过程，界面的褶皱结构自发松弛，最后界面恢复到原来光滑的状态，形成一个自适应过程。相关工作以“ Relaxing Wrinkles in Jammed Interfacial Assemblies”为题发表在《Angew》（《德国应用化学》）期刊上，其中湖南大学谢柑华教授为该论文的第一作者兼通讯作者，美国劳伦斯伯克利国家实验室的朱时裴博士和Thomas P. Russell院士分别为共同一作和共同通讯作者。

图1.覆盖纳米颗粒表面活性剂液滴的自适应过程示意图

当水相中的CNC浓度一定，DOTAP浓度<0.005g/L时，观察到油水界面张力微弱减小，当其浓度>0.005g/L时，界面张力则急剧减小。这些变化也反映在液滴界面的NPS表面覆盖率（液滴褶皱时的体积比上原始的液滴体积）上：随着DOTAP浓度的增加，NPS表面覆盖率先增加，之后稳定在100%。

图2. CNC-DOTAP纳米颗粒表面活性剂稳定的油包水液滴的界面特点

在形成周期性褶皱图案后，NPS单层结构将通过自适应过程恢复到原来的状态：处于高度拥挤的褶皱状态下的DOTAP与纳米颗粒之间的相互作用被破坏，特别是在高曲率处的NPS，配体和纳米颗粒之间的静电吸引作用力不足以克服同种粒子之间的静电排斥作用，所以分别扩散远离拥挤的界面，界面处颗粒密度减小，因此NPS“外衣“由褶皱状态松弛变回光滑状态。另外，作者们发现褶皱和松弛重复性实验表明该NPS单层的机械性能基本不变，而恢复时间随起皱时间的增加而增加。

图3.CNC-DOTAP纳米颗粒表面活性剂在液滴上组装的自适应能力

当羧基化的磁性纳米颗粒和CNC混合后，磁性纳米颗粒将与CNC在界面上相互竞争，共同和DOTAP发生相互作用形成混合的NPS结构。随着磁性纳米颗粒浓度的增大，界面NPS单层结构将由准固态转变为准液态，液滴界面张力先增大后减小，测量的表面覆盖率由100%减小到0。值得注意的是，由于界面一直处于阻塞状态，实际的表面覆盖率一直是100%。

图4.混合纳米颗粒调节和功能化自适应液滴

该基于脂质材料的NPS体系具有很好的稳定性和独特的结构，这有助于制备新型的脂质双分子层结构材料。基于该体系，作者们制备了超大的——也是目前为止最大的——基于脂质双分子层结构的功能化囊泡，多囊泡和多层囊泡材料。另外，磁性纳米颗粒的引入，使得该新型囊泡表现出了有趣的磁学性质。这也表明，该新型自适应材料体系在人工细胞以及全液态机器人等领域有着重要的意义和实用前景。

图5.基于纳米颗粒表面活性剂功能化的超大囊泡

谢柑华，湖南大学化学化工学院教授，博士生导师，岳麓学者，国家级青年人才计划入选者。课题组致力于功能性结构化液滴、双水相体系及其他仿生功能表界面体系的研究，已在Nat. Chem.,Chem, PNAS, J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.等期刊以第一作者和通讯作者发表高水平论文16篇。课题组常年招收具有化学、物理、生物和材料背景的研究助理，硕士、博士及博士后，欢迎邮件联系交流。联系邮箱：ganhuaxie(AT)hnu(DOT)edu(DOT)cn

课题组网站：
http://grzy.hnu.edu.cn/site/index/xieganhua

来源：高分子科学前沿

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