破解基本單位微結構拓撲轉變難題，成就一篇最新Nature!

小胖紙 2年前 (2021-04-15) 1795瀏覽

【背景介紹】

眾所周知，細胞是構成生物體的基本單位。而細胞結構的基本拓撲結構、節點和隔室的位置、數量和連通性能深刻地影響其聲學、電學、化學、力學和光學特性等性能。如今，研究人員利用細胞材料中的膨脹、電磁驅動和力學不穩定性的方法可實現各種壁變形和腔室形狀改變，但產生的結構通常保留了初始拓撲結構所確定的連接特性。實現拓撲變換面臨的挑戰：其需要復雜的重組、重新包裝以及協同的彎曲、拉伸和折疊，特別是在每個節點周圍，由于連通性，彈性阻力最大。

蒸發液體通過形成的液體蒸汽彎液面的毛細作用力變形和組裝簡單的、孤立的微米級結構。當液體應用于細胞結構時，在相互連接的幾何體上形成彎液面復雜網絡會產生一個集中在每個節點上的復雜局部力場，從而提供比全局力場更精細的控制水平。然而，作為一種基礎連接的互連結構，細胞晶格的變形通常需要更高的能量，而毛細作用力太弱，無法進行這種轉變。雖然通過使用具有低彈性恢復能和高表面粘附力的軟性材料來維持組裝，可以實現毛細管誘導的重構，但是這種系統在大多數應用中不符合實際要求。研究表明，某些液體能夠在分子尺度上滲透和軟化聚合物材料，從而改變其整體力學性能。

【成果簡介】

今日，美國哈佛大學Joanna Aizenberg（通訊作者）等人報道了一種兩層動態策略，利用該策略實現了細胞微結構基本拓撲結構的系統可逆轉換，而該轉換可應用于多種材料和幾何結構。其中，該策略只需要將結構暴露在選定的液體中，該液體能夠首先在分子尺度上滲透并塑化材料，然后在蒸發時，在建筑尺度上形成局部毛細力網絡，將軟化晶格的邊緣壓縮成新的拓撲結構，隨后重新變硬，并保持動力學困住。可逆性是通過應用在分子和建筑尺度上分別起作用的液體混合物（提供對軟化-蒸發-硬化序列的模塊化時間控制）來恢復原始拓撲或提供進入中間模式而引起的。在連接細胞幾何結構、材料剛度和毛細作用力的廣義理論模型的指導下，作者還演示了各種晶格幾何結構和響應性材料經歷快速全局或局部變形的程序可逆拓撲轉變。此外，作者利用動態拓撲結構開發具有信息加密、選擇性粒子捕獲和氣泡釋放以及可調力學、化學和聲學特性的活性表面。總之，該策略為不僅系統地操縱拓撲變換提供了機會，而且為拓撲-維度-物質關系和潛在的多尺度物理化學機制的基礎研究提供了一個平臺。研究成果以題目為“Liquid-induced topological transformations of cellular microstructures”發表在國際頂級期刊Nature上。

【圖文速遞】

圖一、細胞結構拓撲轉化的策略