破解基本单位微结构拓扑转变难题，成就一篇最新Nature!

小胖纸 3年前 (2021-04-15) 2085浏览

【背景介绍】

众所周知，细胞是构成生物体的基本单位。而细胞结构的基本拓扑结构、节点和隔室的位置、数量和连通性能深刻地影响其声学、电学、化学、力学和光学特性等性能。如今，研究人员利用细胞材料中的膨胀、电磁驱动和力学不稳定性的方法可实现各种壁变形和腔室形状改变，但产生的结构通常保留了初始拓扑结构所确定的连接特性。实现拓扑变换面临的挑战：其需要复杂的重组、重新包装以及协同的弯曲、拉伸和折叠，特别是在每个节点周围，由于连通性，弹性阻力最大。

蒸发液体通过形成的液体蒸汽弯液面的毛细作用力变形和组装简单的、孤立的微米级结构。当液体应用于细胞结构时，在相互连接的几何体上形成弯液面复杂网络会产生一个集中在每个节点上的复杂局部力场，从而提供比全局力场更精细的控制水平。然而，作为一种基础连接的互连结构，细胞晶格的变形通常需要更高的能量，而毛细作用力太弱，无法进行这种转变。虽然通过使用具有低弹性恢复能和高表面粘附力的软性材料来维持组装，可以实现毛细管诱导的重构，但是这种系统在大多数应用中不符合实际要求。研究表明，某些液体能够在分子尺度上渗透和软化聚合物材料，从而改变其整体力学性能。

【成果简介】

今日，美国哈佛大学Joanna Aizenberg（通讯作者）等人报道了一种两层动态策略，利用该策略实现了细胞微结构基本拓扑结构的系统可逆转换，而该转换可应用于多种材料和几何结构。其中，该策略只需要将结构暴露在选定的液体中，该液体能够首先在分子尺度上渗透并塑化材料，然后在蒸发时，在建筑尺度上形成局部毛细力网络，将软化晶格的边缘压缩成新的拓扑结构，随后重新变硬，并保持动力学困住。可逆性是通过应用在分子和建筑尺度上分别起作用的液体混合物（提供对软化-蒸发-硬化序列的模块化时间控制）来恢复原始拓扑或提供进入中间模式而引起的。在连接细胞几何结构、材料刚度和毛细作用力的广义理论模型的指导下，作者还演示了各种晶格几何结构和响应性材料经历快速全局或局部变形的程序可逆拓扑转变。此外，作者利用动态拓扑结构开发具有信息加密、选择性粒子捕获和气泡释放以及可调力学、化学和声学特性的活性表面。总之，该策略为不仅系统地操纵拓扑变换提供了机会，而且为拓扑-维度-物质关系和潜在的多尺度物理化学机制的基础研究提供了一个平台。研究成果以题目为“Liquid-induced topological transformations of cellular microstructures”发表在国际顶级期刊Nature上。

【图文速递】

图一、细胞结构拓扑转化的策略