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  自然有機結構是通過生長的模式形成的，在這一過程中，營養液被吸收、傳輸和整合。與之對應的，人工合成的結構通過完全不同的方法來得到，例如組裝、鑄造、切割和打印。因此，如何有效地在材料表面進行微結構的可控生長，來模擬自然有機結構的形成，對研究生物體內的相互作用有著重要的意義，且這是一項挑戰。

  針對以上問題，德國萊布尼茨新材料研究所/電子科技大學崔家喜教授團隊與上海科技大學的鄭宜君教授通過將多種進程融合在單個聚合物網絡中，包括對可聚合分子的吸收，分子的遷移以及新生成的聚合物與原始聚合物之間的交換與融合，使用紫外光的調控實現了微結構的定向生長。對可聚合分子的吸收可以通過溶脹的方法來實現，同時這些分子是可以通過聚合與基材來進行融合的。因此，如何在三維聚合物網絡中對分子進行有效地遷移是一項具有挑戰性的工作。他們發現，在凝膠基質中，可電離的離子對的形成能夠顯著增強聚合物網絡的溶脹能力。

  基于此，他們通過控制可電離的離子對的原位形成來調控分子在三維網絡中的遷移。在設計中（圖1），三種不同的反應---光降解，光聚合和酯交換匯集在一個體系中，分別起到了引導液體組分（營養液）在三維網絡中的遷移，將液體組分轉化為聚合物以及重構新生成的聚合物和原始聚合物的作用。因此，在不需要任何預先處理下，微結構可以直接從基材的表面生長起來（圖2），并且該微結構的尺寸、組成和強度可以得到較好的控制 （圖3）。這些靈活的可調節特性不僅可以在材料表面制備微結構，還可以用于大面積的材料損傷自修復（圖4）。

圖 1. 在基材表面通過光來調控生長的示意圖。(a)可生長的“種子”的組成部分。(b)溶脹的“種子”。用于溶脹的培養液包括單體，交聯劑，光引發劑和酯交換催化劑。(c) 選擇性紫外光在溶脹基材表面的照射。硝基苯分子的光解可以產生可電離的離子對，該離子對可以誘導液體組分向被照射區域的遷移。(d) 光聚合產生新的聚合物。 (e) 通過酯交換，新產生的聚合物網絡可以和原先的聚合物網絡融合在一起。

圖 2. 光照條件下微結構在基材表面生長（側視圖）的時間依賴性。光照強度：10 mW·cm^-2。光掩模尺寸：500 μm。比例尺：250 μm。

圖3. 微結構生長的調控。(a) 光劑量開關的影響。(b)和(c) 微結構的二次生長。(d) 不同交聯劑含量對強度的影響。(e) 不同光響應分子的影響。(f)不同組分的影響。

圖4. (a)-(e) 材料表面微結構的生長。(f)-(k) 生長策略用于大面積材料損傷的自修復。

  近日，該研究工作以Light-regulated growth from dynamic swollen substrates for making rough surfaces 為題發表在國際頂刊Nature Communications上，文章第一作者為博士生薛璐璐，論文共同通訊作者為崔家喜教授和鄭宜君教授，德國萊布尼茨新材料研究所為第一單位。該工作得到了萊布尼茨研究所，上海科技大學啟動經費和中國國家留學基金委的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-14807-x 

作者簡介

  崔家喜教授，主要研究方向包括動態軟材料、響應性高分子、仿生材料、高性能水凝膠、生物材料等領域。以第一作者/通訊作者在 Nature Materials, Nature Communications, Advanced Materials JACS, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Functional Materials, Material Horizons等國際著名期刊發表學術論文 70 多篇，作為主要發明人獲得美國專利授權 2 項，H 因子 26。編寫英文專著（章節）2 部。