太妙了！这个自组装，值得一篇Nature Chemistry！

纳米人

2021-10-13

第一作者：Tong Bian

通讯作者：Rafal Klajn

通讯单位：以色列魏茨曼科学研究所

带电纳米粒子可以表现为大离子或小胶体，它们与多价离子的相互作用为纳米粒子自组装提供了新的途径。所用离子可被描绘成一种“离子胶水”，且具有团聚的可逆性。通过控制“离子胶水”的物理化学性质，实现纳米粒子的动态自组装。

研究背景——传统策略制备纳米材料超结构

离子可以包裹在固体颗粒的表面，使其带电荷，并使它们在水中以胶体的形式稳定下来。粒子周围形成双电层，相互排斥，从而减弱了范德华引力。然而，当固体粒子的尺寸和离子一样小时，会发生什么呢？如何有效减少胶体粒子之间的斥力呢？通常的策略是利用纳米粒子容易聚集的特性来构造超结构，其中，最直接的方法就是加入电解质。电解质会压缩双电层，直到固体核心的吸引力占主导地位，从而导致颗粒在临界凝聚浓度(CCC)下凝聚。然而，动能陷阱会使粒子处于二次能量极小状态，故而在临界凝聚浓度下强烈的吸引力阻碍粒子自组装成规则结构。因此，需要不断摸索优化相互作用，以使粒子在DNA的引导下进行自我组装。

通过添加均匀压缩双电层的离子可以诱导胶体的团聚。当纳米粒子直接与单个多价反离子相互作用，形成离子桥。但是，当在过量的纳米粒子中加入反离子会导致与离子桥形成低能团聚，当增加反离子浓度时，离子桥则保持稳定。相反，将纳米粒子添加到过量的反离子中会导致弱团聚，当纳米粒子浓度增加时会再分散。

研究内容——三价阴离子介导纳米粒子聚集组装

以色列魏茨曼科学研究所的Rafal Klajn教授等深入研究了分子和纳米尺度上的静电相互作用，发现三价阴离子可以在水相中有效地诱导相反电荷纳米粒子的自组装。

本文要点：

1）不同于以往只能通过具有相同尺寸且带相反电纳米粒子共结晶获得胶体晶体，该研究发展的策略可以使带电的纳米粒子与尺寸小一个数量级的相反电荷的离子共结晶，从而组装成胶体晶体。

2）该研究中所用的离子可被描绘成一种“离子胶水”，且具有团聚的可逆性。通过控制“离子胶水”的物理化学性质，实现纳米粒子的动态自组装。

3）开发了一种耗散自组装(DSA)系统，带正电纳米粒子在阴离子持续刺激下可以组装状态存在。可以使用带正电荷的纳米粒子和可被酶水解成的多价阴离子完成纳米粒子瞬态组装。

4）该发现为研究水相环境中静态和动态纳米结构材料的制备提供了一种新的策略。

自组装新思路：弱核-核吸引力+多价小分子抗衡离子

以色列魏茨曼科学研究所的Rafal Klajn教授等发展了一种新型纳米粒子的组装制备方法，主要是利用了纳米粒子的弱核-核吸引力以及多价小分子抗衡离子。研究小组在Au纳米颗粒(核心直径约为10 nm)的表面修饰上共价结合的三甲基铵或磺酸基，使其带电。在加入二价反离子后，所得的水分散体系保持稳定；有意思的是，即使在低浓度下，只要加入三价反离子就会引起它们的团聚，这种行为与胶体化学的经典规则是一致的。Schulze在1882年报道，析出胶体Ag₂S₃所需的三价金属离子的浓度远低于一价金属离子的浓度。如今，它通常表示为CCC≈z⁻⁶，这表明三价离子在凝聚颗粒方面的效率是单价离子的3⁶/2⁶≈11倍。这一规律就是胶体化学中著名的“Schulze-Hard规则”：电解质的负离子对正溶胶起凝结作用，正离子对负溶胶起凝结作用，凝结能力随凝结价数的升高而显著增大。

该研究中的分子动力学模拟表明，一个三价反离子可以连接凝聚两个相同电荷的纳米粒子，而且低价离子不停留在粒子之间。显然，多价离子中和了空间中的电荷，只要空间足够大，就可以将高度弯曲的纳米粒子聚集在一起，而不需要类似构型的多个单价离子所付出的自由能量成本。这种桥接机制对较大的胶体粒子不起作用，因为离子太小，无法中和足够大的体积，使带电表面保持在一起。

带正电的纳米粒子和小尺寸阴离子之间的相互作用

图1. 带正电纳米粒子和带负电小分子的静电共组装。

图2. 正电荷纳米粒子与小尺寸阴离子之间静电相互作用的MD模拟。

图3. 小尺寸阴离子的动力学和TMA官能化Au 纳米粒子的退火实验。

研究者以TMA修饰的Au纳米粒子作为研究对象，深入研究了带正电的纳米粒子和小尺寸阴离子之间的相互作用。测试了二价阴离子（碳酸根(CO₃^2-)，硫酸根 (SO₄^2-)，磷酸氢根 (HPO₄^2-)，铬酸根 (CrO₄^2-)，酒石酸根和草酸根）、三价阴离子（柠檬酸根、三偏磷酸根和EDTA^3-）和其他价态阴离子的水溶液对胶体稳定性的影响。结果表明，所有三价阴离子都引起了Au纳米粒子表面等离子峰的红移。为了深入理解整个过程的机理，分别以HPO₄^2-和柠檬酸根为模型，对TMA包覆的Au纳米粒子与不同价态阴离子的相互作用进行了分子模拟。动力学模拟结果表明，当研究对象为柠檬酸根时，得到的自由能剖面在纳米粒子中心距~9.4 nm处出现极小值，说明NPs有聚集的趋势。而单HPO₄^2-取代柠檬酸后，该能量最小值消失，整体能量最小值向更大的距离移动(>10.5 nm)，对应于分解状态。 

“离子胶水”

图4. TMA官能化Au 纳米粒子与小尺寸阴离子共晶体的自组装。

图5. 带负电荷的纳米粒子与带正电荷的小分子静电共组装。

图6. ATP驱动Au纳米粒子的耗散自组装。

纳米粒子的团簇过程很难用目前的技术完全模拟，因为它们既依赖于离子快速吸附，又依赖于粒子缓慢的团聚。该工作提供了有趣的见解，说明流动性对聚集和组装的作用。模拟结果表明，位于两个粒子之间的反离子仍然可以移动。上述结果证明了把离子描绘成一种“离子胶水”是合理的：足够强，可以把东西固定在原地；但又足够弱，让它们仍然可以缓慢移动。

基于上述认识，研究者充分利用了“离子胶水”团聚的可逆性。在第一组实验中，制造了一种胶，通过加入碳酸铵作为电解质慢慢变硬。电解质屏蔽了静电吸引力，同时溶解纳米粒子和凝聚反离子。然而，当它缓慢分解的同时，静电相互作用也会逐渐增加。

在第二组实验中，通过酶解反应将离子胶液化，研究了系统的平衡状态和非平衡状态下纳米粒子的自组装行为。在酶解反应中，三价ATP离子可以分解为二价AMP和HPO₄^2-，两者都不能诱导TMA 修饰的Au纳米粒子自组装。然而，由于ATP诱导的NPs的自组装比ATP水解的速度快，只要ATP浓度足够高，NP聚集就会暂时存在——在非平衡状态下。基于上述结果，开发了一种耗散自组装(DSA)系统，在持续应用阴离子刺激时带正电纳米粒子可以组装状态存在。

参考文献

1、Bian, T., Gardin, A., Gemen, J. et al. Electrostatic co-assembly of nanoparticles with oppositely charged small molecules into static and dynamic superstructures. Nat. Chem. 13, 940–949 (2021).

DOI:10.1038/s41557-021-00752-9

https://doi.org/10.1038/s41557-021-00752-9

2、Kraus, T. Ionic glue. Nat. Chem. 13, 925–926 (2021).

DOI:10.1038/s41557-021-00782-3

https://doi.org/10.1038/s41557-021-00782-3