弯曲界面上自组装体系的原位实时成像技术研制

自组装过程通常是由分子间弱相互作用力来推动和维持的。因此，界面效应的介入，可能会使得分子自组装体系的组装行为产生显著的变化。此前已经有报道证实蛋白质和磷脂复合体系在液滴表面上的自组装行为与其在平整的气液界面的组装行为大相径庭。然而，由于缺乏有效的表征手段，学界至今对该类组装过程的细节和机理尚缺乏了解。本课题拟研究一种能够对液滴表面乃至弯曲界面的自组装体系进行原位、动态、无扰动的表征方法。该方法的核心内容是基于两种高效的界面表征手段：椭圆偏振成像和轴对称液滴分析技术的联合应用；这种新的设计将为研究复杂生物体系的自组装提供一种实时、微观的原位分析方法。此类表征方法可从分子、界面和溶液等不同层面观测蛋白质、多肽、磷脂、DNA在界面上的自组装行为，课题组成员期待这一设计的实现能够为研究生物大分子在弯曲表面乃至细胞表面的自组装行为提供一个独立的平台。

在本项目基金的资助下，我们按计划搭建了一种基于联用技术的光学平台，用于研究弯曲界面上自组装体系的一些物理化学变化过程，并试图探讨弯曲界面自组装过程中可能存在的相互作用，实现了现代仪器的开发和自我知识产权创新。将自制的光学平台与商用仪器相结合，我们首次得到了多肽水凝胶体系的原位拉曼成像结果。据我们所知，这是目前已知分辨率最好的原位水凝胶骨架结构的观测结果。这种光学显微镜尺度的观察表征手段，有效地弥补了肉眼观察和纳米尺度观察之间的空白区域。.自组装一年一度的年会汇聚了本领域最具有创新思想的同行专家。在与会同行专家们的建议鼓励和支持下，我们将部分研究工作的重心，向自组装功能化材料方面扩展。经过大量的探索，我们发现了一种新型的多响应二茂铁氨基酸水凝胶，其表现出来了非常优秀的响应性，能够同时对pH，氧化还原试剂，温度，剪切力的变化做出响应，此外，还能够对电化学过程，配体做出可逆的响应。在理论计算专家同行的建议下，我们从事了相关的从头计算（DFT），得到了该小分子多肽的单体、二聚体以及寡聚体的最低能态构型，预见到了氢键的生成并计算出了可能的生成熵值。我们的光谱表征结果证实了氢键的存在。.在自组装年会上，以田中群院士为代表的中国科学家，提出了以催化为导向的“催组装”的概念。受到他们的启发和激励，在前期自组装超分子多响应水凝胶的基础上，我们引入了氧化石墨烯作为骨架体系得到了一种氮掺杂的水凝胶体系，该复合体系在水热的情况下可以得到一种稳定的磁性气凝胶。表征结果显示，该气凝胶由超薄的还原石墨烯与四氧化三铁单晶紧密结合而成，二者之间的高效耦合使得整个气凝胶体系具备极佳的氧还原催化性能。其对氧气的四电子还原效率达到95.7%，N=3.95，同时具备多次氧化还原的能力，我们期待该体系能够用作为可多次充放电的燃料电池的催化剂。其合成方法简单，制作成本低廉，具有潜在的工业应用价值。