留德揭示甲壳光学结构自然组装过程，可用于光学结构冷冻电镜样品 _冷冻电镜

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“该工作耗时三四年，中间经历了生娃、新冠、从德国回国工作等一系列人生大事，也让研究受到了诸多干扰。很多有意思的现象与机制，因为单篇论文工作量的限制等原因而未被展现。 ”华中农业大学工学院教授刘培文表示。

图|刘培文（来源：刘培文）
在最新工作中，刘培文发现一个全新的自组装模式，揭示了甲壳中生物光学结构可能的自然组装过程。
以天然多彩甲壳为“灵感缪斯” ，发现全新的自组装模式
研究灵感来自昆虫的甲壳，这些壳不仅色彩艳丽，而且非常一致有规律。原因在于甲壳含有大量微米、或纳米级的多边形双折射结构单元。
审稿人评价称：“全新的自组装模式在复杂环境中的稳定性令人惊讶，该自组装模式表现出来的众多特性，为解释自然界中布林根的自组装过程提供了可能性，对自组装领域极具意义。 ”
近日，该论文以《甲壳素纳米晶体的仿生受限自组装》（Biomimeticconfinedself-assemblyofchitinnanocrystals）为题发表在NanoToday上。

图|相关论文（来源：NanoToday）
此次发表的研究背景在于，生命体中有许多功能强大、却复杂的空间结构，它们均由天然微纳单元组装而成。布林根（Bouligand）结构正是这样一种多层三维结构，每层都由纤维状纳米结构平行排布而成。同时，这些层状结构的取向会在厚度方向上逐渐旋转，从而形成螺旋3D结构。
该结构广泛存在于动植物体内，比如螳螂虾的鳌、鱼类的鳞片以及一些果实的表皮。可以说，布林根结构的存在，为动植物强韧的生物力学特征与绚丽的色彩表观奠定了结构基础。

（来源：刘培文）
因此，为进一步设计功能型光学与力学仿生材料，学界一直想理解布林根结构是如何从纳米结构单元、构建到宏观功能结构的。
此前，已有大量研究利用动植物体内布林根最小结构单元、即纤维素纳米晶或者甲壳素纳米晶之类的一维纳米材料，去重新构建布林根结构。最常用的策略是技术难度相对友好的挥发驱动自组装，即依靠纳米材料之间的弱相互作用力，去实现纳米颗粒之间的排布重组，从而实现最佳排布。

（来源：刘培文）
但是，截止目前，实验室所得结构基本都是单一等密度的层状平行结构。另外，即使严苛控制挥发自组装的过程，比如设定恒定而慢速的挥发、稳定无任何扰动的挥发环境等，所得到的层状结构中依然含有大量杂乱取向的结构，这直接会导致结构色混乱、多彩或力学结构存在易破坏点。

（来源：刘培文）
此外，相同密度的层状结构，与自然界中具有梯度密度的布林根结构也不相符，原因在于利用传统溶液浇筑法、去进行挥发诱导的自组装模式，本身存在一定限制。

（来源：NanoToday）
在常见的一维纳米材料挥发诱导自组装过程中，悬浊液挥发界面上的纳米颗粒会因为挥发而浓缩，进而形成小而分散的纳米颗粒有序团聚体。但是，这些小的团聚体的密度大于周围悬浊液的密度，因此会产生沉积、并逐渐堆叠到容器的底部，在持续的挥发-团聚-沉淀的过程中，这些小的有序团聚体会逐渐在容器底部相互融合、并形成大的团聚结构。

留德揭示甲壳光学结构自然组装过程，可用于光学结构冷冻电镜样品

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