纳米纤维自组装的首次实时可视化揭示了超分子凝胶形成的关键步骤

想象一下，这些材料能够自我构建，对环境做出智能反应，将药物精确地输送到需要的地方，支架再生组织，或清除污染物。这些是超分子凝胶的前景，它是由小分子自发自组装形成的迷人软材料。

但是这些复杂的结构究竟是如何从看似随机的分子汤中出现的呢？多年来，这一基本过程一直隐藏着，发生得太快，规模太小，无法观察到。

现在，日本的一个合作研究团队首次实时捕捉到了超分子凝胶形成的整个纳米级戏剧。利用高速原子力显微镜（HS-AFM）的非凡能力，能够记录分子事件的发生，研究人员创造了一部令人惊叹的“分子电影”，揭示了凝胶化的秘密。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

这段视频带来了惊喜，推翻了之前的假设。科学家们希望看到细小的纤维首先形成，逐渐增厚成最终的凝胶纤维。相反，HS-AFM电影显示了直接从溶液中出现的相对较厚的超分子纤维，似乎完全跳过了中间步骤。

更有趣的是，这些纤维以奇特的爆发方式生长——向前奔跑，意外停顿，然后恢复快速生长。这种独特的“走走停停”行为暗示了一种全新的组装机制。为了解读这种分子舞蹈，研究人员提出了一种新的“块堆叠模型”。该理论表明，分子构建块只有在纤维尖端表面不平坦或“粗糙”时才能有效地堆叠在纤维尖端上。

当生长过程中尖端暂时变得光滑时，堆叠会暂停，直到形成新的不规则结构，从而允许生长重新开始。这个优雅的模型得到了进一步的验证，因为基于它的计算机模拟完美地再现了观察到的走走停停动态。

通过定量图像分析，研究小组绘制了凝胶化的两个不同阶段：初始的“成核”阶段，分子聚集成稳定的种子，然后是“生长”阶段，纤维从这些种子中伸长。他们的分析非常精确，甚至可以估计形成稳定原子核所需的临界、微小数量的分子——这是对自组装最初时刻的罕见而有价值的见解。

直接见证这种分子组装过程的能力，而不是从间接测量中推断出来，为超分子凝胶化是如何真正发生的提供了明确的证据。

通过提供组装途径的清晰视图，这项研究为设计下一代超分子凝胶提供了一个强大的新工具包。科学家们现在可以通过针对这项研究中揭示的形成过程的特定阶段来控制凝胶特性，如刚度、反应性或药物释放速率。这为加速开发更智能、更有效的材料，用于医学、生物技术和环境修复的关键应用铺平了道路。p