刘凯，中国科学院深圳先进技术研究院研究员，博士生导师，国家高层次青年人才（海外），玛丽居里学者。2017年博士毕业于中科院过程工程研究所（导师：闫学海研究员）。2018年至2023年在荷兰格罗宁根大学化学系从事博士后研究（导师：Sijbren Otto教授）。2023年5月加入中国科学院深圳先进技术研究院开展独立研究工作，主要研究方向为类生命组装系统的构建以及其在生物医药中的应用，包括基于活性组装的生物制剂，基于动态组装的智能治疗等。迄今在国际期刊上发表学术论文近40篇，其中以第一作者或共同一作发表20篇，包括Nat. Chem., Angew. Chem. In. Ed., Adv. Mater., ACS nano, Adv. Sci.等，总引用3800余次。此外，撰写了2篇专著章节。曾获得美国西蒙斯基金、中国科学院优秀博士论文、中国科学院院长奖等奖项。
分子尺度耗散化学驱动纳米尺度组装体的形成及其宏观尺度传输
生命是一个远非平衡的系统，其结构维持和功能执行依赖于能量消耗。能量可从小分子转化为更大尺度的作用，例如微管利用三磷酸鸟苷的能量实现染色体的分离。同样，Prigogine和Nicolis提出的耗散结构理论表明，能量流动能够组织物质。化学家近年致力于研究非平衡系统的合成，通过耗散过程设计具特定功能的系统，催生了耗散自组装领域，重点在于瞬态结构和具可编程寿命的属性。尽管如此，这类系统的能量转换仍具挑战，设计上也难以超越简单的组装并实现更高级的突发特性。将耗散自组装与机械过程结合可能带来新型涌现行为；例如，化学能可在分子马达或活性物质中转化为机械运动，浓度梯度则驱动运动，如扩散泳动和马兰戈尼效应，后者通过表面张力梯度推动界面上的物体。马兰戈尼效应可通过结晶、超分子相互作用或光诱导化学反应来放大，形成表面张力梯度。大多数研究聚焦于自由能向运动的转化，少涉及分子结构变化。作者推测，通过化学燃料供能可拓展马兰戈尼对流的应用，将耗散自组装与马兰戈尼运动结合，自组织网络中的耗散化学或能有效控制马兰戈尼对流
在这里，中国科学院深圳先进技术研究院刘凯研究员联和荷兰格罗宁根大学Sijbren Otto教授报告了一种瞬时酰胺键形成的方法，并通过在源-汇系统中集成耗散自组装和马兰戈尼效应，利用它来利用化学能并将其转化为机械运动。辛胺与 2,3-二甲基马来酸酐反应后通过耗散自组装形成液滴。所得的酰胺具有水解不稳定的特性，使得液滴成为瞬态的，这使得它们能够作为辛胺的来源。通过在空气-水界面放置一滴油酸来创建辛胺的汇。这种源-汇系统建立了表面张力梯度，从而产生宏观的马兰戈尼流，可以以可调的速度传输溶液中的液滴。碳二亚胺可以通过将二酸废物转化回酸酐来促进这种运动。这项研究表明，分子水平上的燃料如何通过超分子水平上的组装，导致宏观水平上的液体流动。相关成果以“Molecular-scale dissipative chemistry drives the formation of nanoscale assemblies and their macroscale transport”为题发表在《Nature Chemistry》上，刘凯研究员为一作兼通讯。
具体而言，2,3-二甲基马来酸酐（1a）与辛胺（2）反应生成两亲性的马来酰胺酸（3a；反应产物），与多余或再生的辛胺共组装（图1a）。马来酰胺酸的酰胺键易水解，导致液滴短暂存在并持续释放辛胺。通过添加燃料（酸酐或碳二亚胺试剂；图1a），可再生酰胺液滴。这些液滴被传输至空气-水界面的油酸液滴处，作为辛胺的汇，传输由马兰戈尼对流驱动（图1b）。因此，酰胺液滴的动态不稳定性在界面上产生辛胺的表面张力梯度，触发马兰戈尼不稳定性。本研究将耗散自组装与宏观流体流动结合。
图 1：化学燃料液滴形成和马兰戈尼对流
凝聚状液滴的耗散共组装
将辛胺（2；30mM）加入含硼酸钠（50mM，pH 8.2）的水溶液中，得到几乎透明的混合物。加入2,3-二甲基马来酸酐（1a；30mM）并手摇60秒后，因微滴形成，溶液浊度显著增加。透射电子显微镜分析显示，液滴内部结构均匀（图2a），形成的液滴尺寸约为2.5μm，比单独分散的辛胺液滴大（图2b）。1H-NMR和质谱分析证实，胺与酸酐缩合生成酰胺键，3a为主要产物。混合物中3a的液滴形成临界浓度约为7mM，但纯3a溶于硼酸钠时无液滴形成，需加入2后才出现（图2c），即使辛胺浓度低于其CMC值。这表明液-液相分离由3a和2的共组装驱动，而非2的单独相分离，类似复杂凝聚层的形成。使用碳链长度为9至12的辛胺类似物可形成类似行为，而过短（小于八个碳）或过长（大于12个碳）链的类似物则无法形成液滴或易凝固。
图 2：液滴特征和自创生证据
辛胺（2）和酰胺液滴的zeta电位分别为+15 mV和-98 mV（图2d），表明酰胺液滴表面以带负电的羧酸根为主。酰胺液滴能够吸收负电荷的钙黄绿素（图3f）和正电荷的吖啶黄，展现出阴阳离子特性，且液滴形成的疏水性微环境有助于结合疏水性分子如尼罗红（图2e）。酰胺液滴通过加速1a的溶解而促进3a的生成速率（图2f），显示出自催化效应，类似于自生成现象。在反应过程中，1a和2形成的液滴呈现非线性“双脉冲”行为：浊度先上升后下降，再次上升并最终消失（图3a），这是因为酰胺的生成与水解交替发生，导致液滴反复形成和消失。当向系统中添加EDC燃料时，二酸4a转化为酸酐1a，再与2反应生成3a，使液滴反复出现和崩解（图3d）。NMR和UPLC分析显示1a在酰胺生成过程中作为短暂中间体积累，最终随水解消失。此循环可重复至少五次，且在较高EDC浓度下更容易出现“双脉冲”现象（图3d、e）。共焦显微镜观察到EDC驱动的自组装过程中，酰胺液滴可捕获钙黄绿素等客体分子，液滴崩解后释放客体，再次添加EDC时客体被重新吸收（图3f-i）。
图 3：无化学燃料添加和有化学燃料添加时的瞬时液滴形成
化学燃料宏观流的液滴传输
源-汇方法已广泛用于交互式液滴系统。基于酰胺的液滴可以释放胺表面活性剂，构成源，再加上样品表面的一滴油酸作为汇，形成一个源-汇系统。该系统中，酰胺液滴会向油酸移动，速度约为700μm/s，持续约30分钟。对比实验表明，不易水解的酰胺3b的液滴在同样条件下移动速度明显较慢，支持运动由酰胺水解维持。在机理上，辛胺2作为表面活性剂聚集于水表面，降低表面张力，油酸作为汇捕捉2形成浓度梯度，诱发Marangoni流动使液滴向油酸移动（图4a）。实验与模拟显示，当酰胺水解速率较快或较慢时，流速会相应增减。油酸被2饱和后，运动减慢，但加入新油酸可恢复流动。此外，当所有酰胺水解完毕时，Marangoni流动停止。利用EDC再生酰胺液滴可以驱动重复的运动循环（图4c-d），再加油酸后流速恢复，进一步支持EDC为Marangoni流提供动力。
图 4：化学持续的 Marangoni 流
小结
综上，瞬态酰胺基液滴通过耗散反应循环与自组装整合形成，它们由起始胺与酰胺共组装为凝聚层状液滴，并在酰胺水解后释放胺，从而产生双脉冲的独特动力学行为。该系统作为化学燃料驱动的马兰戈尼流装置的一部分，液滴在空气-水界面处通过与油酸汇（作为表面活性剂的消耗区）形成表面张力梯度，进而驱动流体运动。通过EDC添加可使系统再生，实现试剂的重复利用。本研究将分子尺度的键断裂与宏观流体动力学相耦合，展示了耗散化学在化学发动机设计中的应用潜力。此外，该系统液滴的双脉冲动态、客体分子的吸收释放及表面活性剂成分的协同作用，使其成为原始细胞模型的有力候选。
来源：高分子科学前沿
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