GIST实时捕捉纳米结构演化过程…验证尺度化理论
光州科学技术院（GIST）26日表示，新材料工学系Lee Eunji教授研究团队实时观测并定量分析了具有结晶性的嵌段共聚物在溶液中自发组装并演化为纳米颗粒的全过程。
此次研究是全球首次在实验上验证迄今仅以理论形式存在的“缩放理论”核心假设的案例，被评价为为精细的纳米材料设计奠定了科学基础。
缩放理论认为，结晶性嵌段共聚物为了避免与溶剂接触会自发折叠，并组装成能量最稳定的形态。其核心在于，这类体系尤其偏好低曲率（即弯曲程度较小的形态）。
研究团队利用实时观测，清晰捕捉到高分子纳米结构沿着球形胶束（spherical micelle）→圆柱形胶束（cylindrical micelle）→甜甜圈状环形结构（toroid）→双层膜结构囊泡（vesicle）这一演化路径逐级演变的过程。
自然界具备构筑复杂结构的“自组装（self-assembly）”能力，这一能力在高性能纳米材料开发中发挥关键作用。其中，“高分子结晶”是指高分子链自发折叠并以规则方式排列的现象，在形成有序与无序共存的复合结构方面具有重要作用。
与此相关的“结晶诱导自组装”技术，是指由高分子结晶来主导结构形成的原理。通过这一原理，可以同时实现分子排列的有序性和粒子结构的稳定性，因此在光电子、生物材料等多个领域备受关注。
但由于结晶与嵌段间相分离同时发生，体系十分复杂，迄今为止一直难以在实验上阐明结构转变的具体机制。
研究团队利用典型的可生物降解、生物相容性高分子PEO-b-PCL，借助液相透射电子显微镜（LP-TEM），实时观测了分子量与嵌段组成比不同情况下的自组装过程。PEO-b-PCL由亲水性良好的PEO与具有疏水性和结晶性的PCL结合而成，具有环境友好特性，可广泛应用于药物递送等多种用途。
结果显示，在非结晶性高分子中从未观察到的球形纳米粒子，会通过侧向结合演化为圆柱或甜甜圈状环形结构。研究团队清晰捕捉到了这一现象。其原因在于结晶性核嵌段为了降低体系能量而偏好低曲率、即更为平坦的界面。这一发现实验性地验证了此前仅存在于理论中的“缩放理论”核心假设，具有极其重要的意义。
此次研究的另一层意义在于，研究团队并未止步于对纳米结构形貌的可视化，而是对不同时段的影像数据进行定量分析，获取了粒子运动轨迹、组装速度等数值化数据。
博士课程研究生Hwang Junho（第一作者）表示：“本研究是首次精确阐明高分子自组装在分子尺度上发生的原理及其动力学的案例，今后有望成为精细设计有机电子、生物传感器、药物载体等尖端技术所需纳米结构的重要基础。”
Lee Eunji教授表示：“本研究能够实时追踪并定量分析高分子纳米结构的形成与演化过程，在学术上具有重大意义。特别是通过实验证明所谓结晶诱导自组装这一复杂现象会如何影响纳米结构的演化，从而为功能性纳米材料提出了新的设计方向。”
本研究由GIST新材料工学系Lee Eunji教授（通讯作者）指导，博士课程研究生Hwang Junho（第一作者）和Yoon Junyeon（共同作者）共同完成。韩国科学技术院（KAIST）化学系Seo Myeongeun教授以及美国加州大学欧文分校（University of California, Irvine）化学系Joseph P. Patterson教授以共同作者身份参与。
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