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邢向军教授最新PNAS论文:关于囊泡液晶序和囊泡形状研究

近期,国际顶级学术期刊美国科学院院报 ( Proceedings of the National Academy of Sciences, 简称PNAS) 发表了上海交大物理系邢向军教授和合作者题为“Morphology of Nematic and Smectic Vesicles”的论文(5月1日,2012), 报道了他们在液晶囊泡物理领域研究的最新进展。PNAS为美国科学院主办的高水平的学术期刊,是科学界影响力最高的综合性期刊之一,涵盖数学、物理、化学、生物、等所有科学领域。

囊泡(vesicle)是由双亲的有机磷脂分子自组装成的封闭的膜结构。这些链状的分子一头亲水,另一头厌水。在水中,他们会自发形成双层膜的稳定结构,从而所有厌水的部分都隐藏在膜内部。囊泡是生物细胞膜基本组成部分,在细胞内部的各种过程中起着重要的作用,是生物中最重要的结构之一。最近,化学、生物等领域的科学家们也开始探索用人造的囊泡结构作为人体内新型的药物输运的方法,以及用囊泡结构作为新型结构材料的自组装单元。 由磷脂分子组成的囊泡稳定性、强度较差,寿命较短。最近,高分子科学家们开始用分子量更大的两性高分子结构代替磷脂分子。由此所形成的高分子囊泡具有稳定性好、强度高的特点。巴黎居里研究所的华人化学家李敏慧(邢向军教授的合作者)研究组合成了一类具有表面液晶序的高分子囊泡。在电子显微镜下,液晶序呈现出平行的条纹结构。液晶高分子囊泡具有丰富多样的几何结构:椭球形,圆柱体,纤维,以及正四面体等等。正四面体囊泡有四个尖锐的顶点,显然具有很高的弹性自由能。因此,它们的出现是一个令人困惑的问题。从应用方面来说,这些奇点为可控药物释放和具有四面体对称性的新型自组装结构提供了新的可能性。

邢向军教授和合作者们认识到,由于曲率的影响,球面上不可能有完美的液晶序。实际上,二维液晶序在球面上必须有四个拓扑缺陷。这些拓扑缺陷相互排斥,因而可能形成一个四面体结构。同时,液晶序和囊泡的几何相互作用,使得囊泡也呈现为四面体形状。在此理解的基础上,邢向军教授和合作者们建立了一个简单的物理模型描述液晶囊泡中液晶序和囊泡形状的相互作用,并结合解析和数值的方法计算了自由能较低的囊泡形态。他们发现了所有实验中出现的囊泡结构。并且,他们发现在囊泡表面弯曲模量较低的时候,正四面体结构具有最低的自由能。这一理论工作表明,貌似复杂的液晶囊泡自组装结构其实由很简单的物理机制控制。此结果对将来液晶囊泡以及相关的自组装研究领域有一定的指导意义。

图为正四面体液晶囊泡的电子显微镜图像,以及邢向军教授研究组的数值模拟结果。四个液晶拓扑缺陷分别位于正四面体的四个顶点上。液晶序在拓扑缺陷之外的曲面上处处相互平行。因此其协变导数处处为零。在液晶弹性模量比曲面弯曲模量大的多的情况下,正四面体体液晶囊泡具有最低的自由能。

参考文献: Morphology of Nematic and Smectic Vesicles, Xiangjun Xing, Homin Shin, Mark J. Bowick, Zhenwei Yao, Lin Jia, Min-Hui Li Proceedings of the National Academy of Sciences, 10.1073/pnas.1115684109 (2012).