《自然-化学》2025年1月刊研究报告：分子尺度耗散化学驱动纳米组装体形成及其宏观输运
本研究由Kai Liu（第一作者，通讯作者之一，中国科学院深圳先进技术研究院）、Alex W. P. Blokhuis、Sietse J. Dijt、Juntian Wu、Shana Hamed、Armin Kiani、Bartosz M. Matysiak及Sijbren Otto（通讯作者之一，荷兰格罗宁根大学系统化学中心）共同完成。研究成果以论文《Molecular-scale dissipative chemistry drives the formation of nanoscale assemblies and their macroscale transport》的形式，于2024年11月8日正式在线发表于国际顶尖学术期刊 Nature Chemistry（第17卷，124-131页）。
一、 学术背景与研究目标
本研究隶属于非平衡态化学与耗散自组装领域。生命系统本质上是远离平衡态的，其结构与功能的维持依赖于持续的能量消耗，例如分子马达将化学能转化为机械功。受此启发，化学家们致力于构建人工耗散系统，以期实现类似的生命功能。其中，耗散自组装旨在利用化学反应提供的能量，构建具有特定寿命和功能的瞬态结构。然而，该领域面临两大核心挑战：一是如何将耗散过程中的化学能量高效地转化为有用的功，而非直接以热的形式耗散；二是如何设计超越简单组装、展现出更高级涌现性质（如机械运动）的系统。
针对上述挑战，本研究旨在探索一种将分子尺度的耗散化学、纳米尺度的自组装与宏观尺度的流体力学运动相耦合的新策略。研究团队将目光投向马兰戈尼效应，这是一种由表面张力梯度驱动的流体对流现象，常用于微纳尺度物体的操控。他们设想，若能通过一个化学驱动的耗散系统，在空间上产生并维持表面活性剂的浓度梯度，便可激发持续的马兰戈尼流。为此，他们设计了一个基于瞬态酰胺键化学的“源-汇”系统，目标是将化学燃料在分子层面的能量消耗，经由超分子自组装过程，最终转换为肉眼可见的宏观液体流动与物质输运，从而在化学能到机械能的有效转化与跨尺度系统集成方面取得突破。
二、 详细工作流程
本研究的工作流程主要分为三大部分：耗散性酰胺液滴的构建与表征、化学燃料驱动的液滴再生与物质捕获、以及基于源-汇系统的马兰戈尼流动驱动与调控。
1. 耗散性酰胺液滴的构建与动力学研究 * 研究对象与制备：核心研究对象是2,3-二甲基马来酸酐与辛胺在水相中的反应与共组装。具体流程为：将辛胺分散于pH 8.2的硼酸钠缓冲水溶液中，然后加入等摩尔量的2,3-二甲基马来酸酐，经手动或涡旋振荡约60秒后，溶液迅速变浑浊，表明形成了微米尺度的液滴。 * 表征方法与实验： * 结构表征：通过透射电子显微镜观察液滴初期形貌，显示内部结构均匀。动态光散射测量表明，形成的酰胺液滴尺寸约2.5微米，远大于单纯辛胺分散形成的胶束或小液滴。 * 组分与性质分析：核磁共振氢谱与质谱证实，酸酐与胺反应生成了酰胺产物。通过比较单独溶解酰胺产物与再加入辛胺后溶液浊度的变化，结合不同链长烷基胺的对比实验，证实液滴是由两亲性的酰胺产物与剩余的辛胺通过络合凝聚（complex coacervation）方式共组装形成的络合凝聚物液滴。zeta电位测量表明液滴表面带强负电，主要由酰胺分子的羧酸根主导。荧光探针尼罗红实验表明液滴内部具有相对疏水的微环境。 * 自催化行为研究：通过高效液相色谱监测酰胺产物浓度随时间的变化，发现在预先制备的酰胺液滴存在下，酰胺的生成速率显著加快。研究者推测，液滴可以增溶疏水的酸酐原料，促进反应，表现出类似自创生（autopoiesis）的特性。 * 瞬态动力学研究：关键在于所生成的酰胺键是不稳定的。由于邻位羧酸的邻位参与催化作用，该酰胺（马来酰胺酸）极易水解，重新释放出辛胺和二酸。研究团队通过紫外-可见分光光度计（监测浊度）和UPLC（监测酰胺浓度）对系统动力学进行了精细追踪。有趣的是，系统表现出独特的“双脉冲”动力学：浊度（即液滴量）先增加（第一波组装），后因胺耗尽而减少（解体），随后因酰胺水解再次释放出胺而出现第二波浊度峰（第二波组装），最终随着酰胺完全水解而永久消失。液滴尺寸的变化与浊度变化一致。动力学速率对起始酸酐浓度非常敏感，提高浓度可显著缩短动态周期，这与水解产物二酸使体系pH降低从而加速酰胺水解有关。
2. 化学燃料驱动的再生与功能化 * 燃料驱动循环：为实现系统的循环运行，研究引入了碳二亚胺试剂EDC作为化学燃料。当第一轮反应结束、液滴完全消失后，向体系中添加EDC-HCl。EDC能够将水解产生的二酸废物重新转化为环状酸酐，后者与体系中存在的辛胺再次反应，生成酰胺并重新组装形成液滴。UPLC和NMR分析证实了酸酐中间体的瞬态出现。这个过程可以重复多次，实现液滴的再生。研究表明，使用EDC-HCl比游离EDC效果更好，能支持更多轮循环。 * 物质捕获与释放：利用液滴的瞬态性质，研究人员通过共聚焦荧光显微镜，以钙黄绿素为模型分子，展示了液滴在组装时可以捕获客体分子，在解体时释放，并在下一轮EDC驱动的再生组装时重新捕获的能力。这模拟了原始细胞对物质的动态封装与释放功能。
3. 宏观马兰戈尼流动的构建、表征与建模 * 源-汇系统构建：将上述瞬态酰胺液滴作为辛胺表面活性剂的持续“源”，同时在气-液界面中心位置放置一滴油酸作为辛胺的“汇”。油酸能捕获/溶解到达界面的辛胺，从而在界面处形成从油酸液滴向外辐射的辛胺浓度梯度。 * 流动观测与实验控制：在光学显微镜下观察到，靠近表面的酰胺液滴开始向油酸液滴方向运动，而远离表面的液滴则反向运动，表明形成了对流涡旋。研究人员定量分析了液滴运动的平均速度（约700微米/秒）和持续时间。关键的控制实验使用了由不易水解的酰胺（如甲基琥珀酸酐与辛胺反应产物）形成的稳定液滴。该系统在加入油酸后仅产生短暂且缓慢（约100微米/秒）的运动，表明运动的持续性和强度高度依赖于酰胺的水解释放辛胺这一耗散过程。 * 机理验证实验： * 改变酰胺液滴的水解速率（通过改变初始酸酐浓度或pH），发现运动速度随之改变，水解越快，速度越高。 * 当油酸因饱和而失去“汇”功能时，运动减慢；补充新鲜油酸后，运动恢复。 * 当酰胺完全水解后，即使存在新鲜油酸，也无法驱动运动；加入EDC再生液滴后，运动再次恢复。这直接证明了化学燃料可以驱动宏观流动的循环启动。 * 理论建模：为了支持所提出的马兰戈尼流动机理，研究团队开发了一个二维计算流体动力学模型。模型纳入了表面活性剂（辛胺）从体相（由液滴水解提供，速率常数*s*）产生、在界面吸附、并通过油酸汇以一定效率（*γ_r*）被移除的过程，从而在界面建立表面张力梯度。该梯度作为边界条件驱动流体运动。模型模拟出的流场结构（对流涡旋）与实验观察定性一致，并且模型预测的流动速度随*s*和*γ_r*增加而增加的趋势也与实验观察相符，为实验现象提供了强有力的理论支持。
三、 主要研究结果
四、 结论与研究价值
本研究得出结论：通过整合耗散反应循环与自组装，可以构建瞬态功能材料（酰胺液滴），并进一步将其作为能量转换元件，用于设计化学燃料驱动的宏观流体动力学系统。该系统成功地将分子尺度的键形成与断裂、微纳尺度的耗散自组装结构与宏观尺度的流体动力学耦合起来。
其科学价值在于： * 方法论创新：为耗散化学领域提供了一种新的、基于动态酰胺键的化学工具箱，拓宽了可用于构建耗散系统的动态共价键类型。 * 跨尺度集成示范：展示了一种清晰的策略，说明如何通过精心设计的化学反应网络，将化学能有序地引导并放大，最终产生宏观可见的功能（流动与输运），为设计化学发动机或能量转换系统提供了新思路。 * 涌现性质探索：实现了从分子信息到宏观集体运动的涌现，是构建具有高级功能（如自主运动、物质运输）的非平衡系统的成功范例。
应用潜力方面，该系统在微流控、自主软体机器人、化学传感以及作为研究生命起源中能量驱动过程的原始细胞模型等方面具有潜在价值。
五、 研究亮点