薛定谔指出，生命以负熵为生。普里高津则提出了耗散结构理论，进一步阐释了能量在有序结构演化中的作用。生物组装体常常展现出这种能量耗散的特性。例如，微管蛋白需要不断消耗三磷酸鸟苷，以维持其组装结构并执行牵引染色体分离等生物功能。
目前，借助化学手段，人们已成功构建了多种耗散组装体系，获得了瞬态结构和性质。然而，远离平衡态的涌现功能，例如机械功能，仍然相对稀缺。因此，需要拓展耗散组装的研究范式，来探索能量消耗所带来的独特性质与行为。这将有助于开发复杂功能，并深化对生命活性的理解。
2024年11月8日北京时间18:00，中国科学院深圳先进技术研究院刘凯研究员和荷兰格罗宁根大学Sijbren Otto团队合作在Nature Chemistry上在线发表题为“Molecular-scale dissipative chemistry drives the formation of nanoscale assemblies and their macroscale transport”的研究论文，突破了耗散组装系统中机械做功的难题，证明了高能态的耗散组装体可作为能量转化器，这为开发活性材料提供了新视角。
总体上，我们通过调节耗散反应的速率，控制组装动态和通讯行为，将耗散组装和马兰戈尼效应自组织整合起来，构建了一个可趋化性运动的活性液滴系统。
图1. 化学燃料驱动的液滴形成和马兰戈尼对流
首先开发了一种耗散酰胺键，并构筑了活性液滴。马来酸酐和辛胺在水溶液中反应得到一种酰胺化合物，其在酸性条件下易于水解。碳二亚胺可作为第二种燃料分子，驱动二酸废料与辛胺重新生成酰胺化合物，从而构建耗散反应网络。在这一过程中，酰胺产物能够通过分子间的静电和疏水作用与辛胺组装形成凝聚体液滴。这些液滴中的疏水区域有助于溶解马来酸酐，进而加速反应，实现自催化的生长。
图2. 液滴的结构表征和自我生长
通过控制化学燃料的添加，可以实现对液滴生长的动态调控。一方面，化学燃料能触发反应-组装网络中酰胺化合物与辛胺的浓度拮抗效应，促进液滴的震荡式生长；另一方面，当液滴完全水解消失后，加入化学燃料能够使其再生，这一循环可以重复多次，展现出瞬态结构的特征。
图3. 液滴的耗散组装和瞬态结构
进一步利用活性液滴与油酸之间的化学通讯，获得了耗散组装系统的机械功能。当在液滴溶液表面滴加油酸时，水面上的液滴会向着油酸运动。这是由于液滴中水解释放出的辛胺可被油酸吸收，从而在水-空气界面上形成辛胺浓度梯度，进而导致表面张力的梯度变化。最终，凭借马兰戈尼效应，液体从低表面张力区域流向高表面张力区域，促使液滴发生运动。此外，通过控制燃料分子的加入，可以调节液滴的运动速度和持续时间。
图4. 液滴的定向运动与调控
上述系统中，化学燃料在分子尺度上驱动酰胺键的合成；在纳微尺度上，促进高能活性液滴的生成；在宏观尺度上，推动液体流动而带动液滴定向运动。通过活性液滴和马兰戈尼回流这两种耗散结构的耦合，实现了跨尺度的能量转化。同时，该研究为控制马兰戈尼效应提供了源-库系统的调控方法，可用于物质的精确传送，并有望在构建组装图案和活性流体方面发挥重要作用。此外，该液滴系统由简单的分子构成，可作为趋化性运动的原始细胞模型，进一步构筑复杂群体行为。
刘凯研究员为本文第一作者，刘凯研究员、Sijbren Otto教授为本文共同通讯作者，中科院深圳先进院为第一单位。
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