劉凱，中國科學院深圳先進技術研究院研究員，博士生導師，國家高層次青年人才（海外），瑪麗居里學者。2017年博士畢業於中科院過程工程研究所（導師：閆學海研究員）。2018年至2023年在荷蘭格羅寧根大學化學系從事博士後研究（導師：Sijbren Otto教授）。2023年5月加入中國科學院深圳先進技術研究院開展獨立研究工作，主要研究方向為類生命組裝系統的構建以及其在生物醫藥中的應用，包括基於活性組裝的生物製劑，基於動態組裝的智慧治療等。迄今在國際期刊上發表學術論文近40篇，其中以第一作者或共同一作發表20篇，包括Nat. Chem., Angew. Chem. In. Ed., Adv. Mater., ACS nano, Adv. Sci.等，總引用3800餘次。此外，撰寫了2篇專著章節。曾獲得美國西蒙斯基金、中國科學院優秀博士論文、中國科學院院長獎等獎項。
分子尺度耗散化學驅動奈米尺度組裝體的形成及其宏觀尺度傳輸
生命是一個遠非平衡的系統，其結構維持和功能執行依賴於能量消耗。能量可從小分子轉化為更大尺度的作用，例如微管利用三磷酸鳥苷的能量實現染色體的分離。同樣，Prigogine和Nicolis提出的耗散結構理論表明，能量流動能夠組織物質。化學家近年致力於研究非平衡系統的合成，透過耗散過程設計具特定功能的系統，催生了耗散自組裝領域，重點在於瞬態結構和具可程式設計壽命的屬性。儘管如此，這類系統的能量轉換仍具挑戰，設計上也難以超越簡單的組裝並實現更高階的突發特性。將耗散自組裝與機械過程結合可能帶來新型湧現行為；例如，化學能可在分子馬達或活性物質中轉化為機械運動，濃度梯度則驅動運動，如擴散泳動和馬蘭戈尼效應，後者透過表面張力梯度推動介面上的物體。馬蘭戈尼效應可透過結晶、超分子相互作用或光誘導化學反應來放大，形成表面張力梯度。大多數研究聚焦於自由能向運動的轉化，少涉及分子結構變化。作者推測，透過化學燃料供能可拓展馬蘭戈尼對流的應用，將耗散自組裝與馬蘭戈尼運動結合，自組織網路中的耗散化學或能有效控制馬蘭戈尼對流
在這裡，中國科學院深圳先進技術研究院劉凱研究員聯和荷蘭格羅寧根大學Sijbren Otto教授報告了一種瞬時醯胺鍵形成的方法，並透過在源-匯系統中整合耗散自組裝和馬蘭戈尼效應，利用它來利用化學能並將其轉化為機械運動。辛胺與 2,3-二甲基馬來酸酐反應後透過耗散自組裝形成液滴。所得的醯胺具有水解不穩定的特性，使得液滴成為瞬態的，這使得它們能夠作為辛胺的來源。透過在空氣-水介面放置一滴油酸來建立辛胺的匯。這種源-匯系統建立了表面張力梯度，從而產生宏觀的馬蘭戈尼流，可以以可調的速度傳輸溶液中的液滴。碳二亞胺可以透過將二酸廢物轉化回酸酐來促進這種運動。這項研究表明，分子水平上的燃料如何透過超分子水平上的組裝，導致宏觀水平上的液體流動。相關成果以“Molecular-scale dissipative chemistry drives the formation of nanoscale assemblies and their macroscale transport”為題發表在《Nature Chemistry》上，劉凱研究員為一作兼通訊。
具體而言，2,3-二甲基馬來酸酐（1a）與辛胺（2）反應生成兩親性的馬來醯胺酸（3a；反應產物），與多餘或再生的辛胺共組裝（圖1a）。馬來醯胺酸的醯胺鍵易水解，導致液滴短暫存在並持續釋放辛胺。透過新增燃料（酸酐或碳二亞胺試劑；圖1a），可再生醯胺液滴。這些液滴被傳輸至空氣-水介面的油酸液滴處，作為辛胺的匯，傳輸由馬蘭戈尼對流驅動（圖1b）。因此，醯胺液滴的動態不穩定性在介面上產生辛胺的表面張力梯度，觸發馬蘭戈尼不穩定性。本研究將耗散自組裝與宏觀流體流動結合。
圖 1：化學燃料液滴形成和馬蘭戈尼對流
凝聚狀液滴的耗散共組裝
將辛胺（2；30mM）加入含硼酸鈉（50mM，pH 8.2）的水溶液中，得到幾乎透明的混合物。加入2,3-二甲基馬來酸酐（1a；30mM）並手搖60秒後，因微滴形成，溶液濁度顯著增加。透射電子顯微鏡分析顯示，液滴內部結構均勻（圖2a），形成的液滴尺寸約為2.5μm，比單獨分散的辛胺液滴大（圖2b）。1H-NMR和質譜分析證實，胺與酸酐縮合生成醯胺鍵，3a為主要產物。混合物中3a的液滴形成臨界濃度約為7mM，但純3a溶於硼酸鈉時無液滴形成，需加入2後才出現（圖2c），即使辛胺濃度低於其CMC值。這表明液-液相分離由3a和2的共組裝驅動，而非2的單獨相分離，類似複雜凝聚層的形成。使用碳鏈長度為9至12的辛胺類似物可形成類似行為，而過短（小於八個碳）或過長（大於12個碳）鏈的類似物則無法形成液滴或易凝固。
圖 2：液滴特徵和自創生證據
辛胺（2）和醯胺液滴的zeta電位分別為+15 mV和-98 mV（圖2d），表明醯胺液滴表面以帶負電的羧酸根為主。醯胺液滴能夠吸收負電荷的鈣黃綠素（圖3f）和正電荷的吖啶黃，展現出陰陽離子特性，且液滴形成的疏水性微環境有助於結合疏水性分子如尼羅紅（圖2e）。醯胺液滴透過加速1a的溶解而促進3a的生成速率（圖2f），顯示出自催化效應，類似於自生成現象。在反應過程中，1a和2形成的液滴呈現非線性“雙脈衝”行為：濁度先上升後下降，再次上升並最終消失（圖3a），這是因為醯胺的生成與水解交替發生，導致液滴反覆形成和消失。當向系統中新增EDC燃料時，二酸4a轉化為酸酐1a，再與2反應生成3a，使液滴反覆出現和崩解（圖3d）。NMR和UPLC分析顯示1a在醯胺生成過程中作為短暫中間體積累，最終隨水解消失。此迴圈可重複至少五次，且在較高EDC濃度下更容易出現“雙脈衝”現象（圖3d、e）。共焦顯微鏡觀察到EDC驅動的自組裝過程中，醯胺液滴可捕獲鈣黃綠素等客體分子，液滴崩解後釋放客體，再次新增EDC時客體被重新吸收（圖3f-i）。
圖 3：無化學燃料新增和有化學燃料新增時的瞬時液滴形成
化學燃料宏觀流的液滴傳輸
源-匯方法已廣泛用於互動式液滴系統。基於醯胺的液滴可以釋放胺表面活性劑，構成源，再加上樣品表面的一滴油酸作為匯，形成一個源-匯系統。該系統中，醯胺液滴會向油酸移動，速度約為700μm/s，持續約30分鐘。對比實驗表明，不易水解的醯胺3b的液滴在同樣條件下移動速度明顯較慢，支援運動由醯胺水解維持。在機理上，辛胺2作為表面活性劑聚集於水錶面，降低表面張力，油酸作為匯捕捉2形成濃度梯度，誘發Marangoni流動使液滴向油酸移動（圖4a）。實驗與模擬顯示，當醯胺水解速率較快或較慢時，流速會相應增減。油酸被2飽和後，運動減慢，但加入新油酸可恢復流動。此外，當所有醯胺水解完畢時，Marangoni流動停止。利用EDC再生醯胺液滴可以驅動重複的運動迴圈（圖4c-d），再加油酸後流速恢復，進一步支援EDC為Marangoni流提供動力。
圖 4：化學持續的 Marangoni 流
小結
綜上，瞬態醯胺基液滴透過耗散反應迴圈與自組裝整合形成，它們由起始胺與醯胺共組裝為凝聚層狀液滴，並在醯胺水解後釋放胺，從而產生雙脈衝的獨特動力學行為。該系統作為化學燃料驅動的馬蘭戈尼流裝置的一部分，液滴在空氣-水介面處透過與油酸匯（作為表面活性劑的消耗區）形成表面張力梯度，進而驅動流體運動。透過EDC新增可使系統再生，實現試劑的重複利用。本研究將分子尺度的鍵斷裂與宏觀流體動力學相耦合，展示了耗散化學在化學發動機設計中的應用潛力。此外，該系統液滴的雙脈衝動態、客體分子的吸收釋放及表面活性劑成分的協同作用，使其成為原始細胞模型的有力候選。
來源：高分子科學前沿
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