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UIUC陈倩教授团队：到“纳米电影院”看看软物质的“纳米vlog”！

作者：X-MOL 2020-11-30

10月9日，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)陈倩教授团队的AMR述评文章“Nanoscale Cinematography of Soft Matter System under Liquid-Phase TEM”正式在线发表，成为《材料研究述评》首期文章之一。作者团队为我们讲述了“纳米电影院”中如何为软物质的“微观生活”拍摄“纳米vlog”，欢迎感兴趣的读者提问交流。

作者简介

陈倩，现任伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的助理教授。主要从事软物质在纳米尺度的制备，原位成像和动力学机理的研究，课题包括纳米晶的相互作用和自组装，电化学能源过程的原子级别成像，超分子材料的形貌与性能关系，以及机器学习在这些体系中的应用。曾获得美国化学会胶体表面学最佳博士论文Victor LaMer奖(2015)，福布斯30位30以下科学精英(2016)，美国自然科学基金委员会杰出青年奖(2018)，斯隆研究奖(2018)，美国化学会胶体表面学杰出青年Unilever奖(2018)等奖项。

刘畅，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校博士研究生，2017毕业于南京大学匡亚明学院。主要研究方向是软物质物理和基于液相电镜的材料制备设计和自组装。

欧子豪，斯坦福大学博士后，2020年伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校博士毕业。主要研究方向是纳米材料和生物传感体系的热力学行为。

姚乐涵，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校博士研究生，2018毕业于苏州大学材料系。主要研究方向是机器学习在液相电镜中的应用和纳米粒子制备。

请您简要描述一下这篇Account所介绍的研究及其重要意义。

现实生活中，光线的明暗陆离让我们感知宏观世界的花开花谢和潮起潮落；纳米尺度下，电子束帮助我们揭示微观世界的随机涨落和事件涌现。微观世界里晶体的成核和生长，聚合物和凝胶的动态变化，生物体中各种各样的膜结构和蛋白质的折叠及其结构的转变等等，成就了我们宏观世界中形形色色的材料和这个星球上纷繁复杂的生命活动。站在我们人类的视角，要从根本上揭示这些有趣的过程，着实不易。一方面，这些过程微小、复杂，我们需要极高的空间分辨率揭示细节而非统计意义上的平均；另一方面，这些微小的个体对环境的变化既“敏感”又“迅捷”，我们需要足够的时间分辨率从而记录动态实时的信息而非静态的结果。为此，我们开设了“纳米电影院”，直接作为制片人为这些微观过程拍摄“纳米vlog”，跟踪记录和展示它们的微观“生活”。摄影装备使用电子束作为信号，搭配当前最先进的电子探测器、成像和图像分析技术，可以达到极高的空间分辨率（<1 nm）、时间分辨率（<1 ms），为拍摄对象提供高画质、高帧率的实时动态“纳米vlog”。这样的原位观测能够更真实准确地刻画热力学和动力学行为，帮助我们更本质地理解纳米尺度下复杂多样的相互作用，也有助于在此基础上更精准地调控和设计功能材料。

软物质材料（soft matter）是材料科学领域新兴的重要研究方向，与传统的固体硬材料不同，其独特的柔变性和对外界刺激的响应使得其在生物医药，可穿戴设备领域等功能材料领域有着巨大的应用前景。在纳米尺度理解软物质材料的行为对于设计材料的性质和功能有着重要的意义，例如通过设计纳米尺度的多孔高分子膜来实现高效的污水处理，可控指导纳米颗粒悬浊液组装形成复杂的三维超晶格结构从而集中电磁波进行化学物质的探测。然而，人们在纳米尺度对于软物质的行为的表征和理解却非常有限。一方面，纳米材料在溶液中由于水分子的碰撞，会产生随机的涨落行为。冷冻电子显微镜（cryogenic electron microscope）和超分辨光学显微镜（super-resolution optical microscope）可以实现纳米尺度的成像，但这些方法都没有办法实时对材料进行原位的观测来分析其动力学行为。同时，光谱分析（spectroscopy）可以做到实时表征，却侧重于系统的统计平均，难以揭示这些过程中的局域细节。另一方面，由于纳米颗粒和溶液分子的尺寸很接近，纳米粒子之间的相互作用非常复杂，除了范德华作用和长程静电作用外，还需要考虑颗粒表面高分子配体之间的相互作用以及流体力学作用等等，这使得理论上直接模拟纳米粒子的复杂集体行为十分困难。

在这篇Account中，我们总结了利用液相透射电子显微镜（liquid-phase transmission electron microscopy）研究软物质材料的具有普遍适用性的研究方法。液相透射电子显微镜为研究溶液中软物质材料的动力学行为提供了一个新的思路，与超分辨光学显微镜不同的是，电子显微镜是基于材料本身和环境的电子密度不同来产生衬度，这意味着该方法可以推广至有机微粒（如蛋白质）体系的动力学研究。我们首先介绍了电子束对于液体环境的组分的影响，并总结了利用电子束强度调控纳米材料行为的设计方法。利用纳米颗粒悬浊液（nanoparticle suspension）作为研究范例，我们发现在低浓度的悬浊液中，纳米颗粒会进行类高聚物的自组装过程形成长链，而在高浓度情况时则会表现出类似原子体系的复杂的结晶和联结行为。更进一步，我们结合近期机器学习（machine learning）和电子断层成像（atomic tomography）的发展，提出了如何利用这些技术去分析信噪比较弱的电子成像条件和解析复杂的三维不规则软物质材料。除此之外，在液相透射电子显微镜中，液体环境的组分、温度等都可以利用外场进行调控，这也意味着在液体环境中可以进一步研究纳米材料的结构和功能对于环境变化的响应。可以期待的是，该技术在未来材料学、物理学和生物学研究中将产生出更多有趣而重要的结果。

能否分享一下您选择Accounts of Materials Research的理由？

10年前有幸第一次听到黄嘉兴教授的学术报告，就觉得他的报告有点像一篇Account：既兼顾了深度、前瞻性，又有对科学探索富有趣味性的哲学探讨。得知Accounts of Materials Research创立的消息，我也感到十分激动，深信这个期刊会给材料人一个交流前沿科研进展，分享科研历程与提供灵感碰撞的舞台。从10年前作为博士研究生听报告，到现在独立建组5年，时机也正好。我很荣幸得到编委会的肯定，能在首刊上向大家展示和介绍我们的工作，“聊一聊”我们拍软物质的“纳米vlog”的经历和体会，和各位同行前辈切磋，与期刊共同起步、成长。

您理解中的Account应该是什么样的？和一般的综述文章有何不同？

Account中作者重点归纳和介绍自己课题组中的研究项目，与一般的综述相比，特点在于深度而非广度。一般而言，较于其他综述者，作者对自己的研究了解更加透彻，所以在account中也会有比一般综述更加深刻而独到的见解，并能带给读者原汁原味的科研视角。另一方面，account不是对自己已发表文章的简单罗列，也要求作者对涉及的多个课题进行系统性的总结，提炼研究主题和链接各个子课题的脉络，是对作者科研能力的全新挑战。

有任何想与读者们分享的研究故事和花絮吗？

正如孙悟空手中的定海神针和雷神手中的雷神之锤一样，越是强大的武器就越需要使用者完美驾驭。使用液相透射电子显微镜这一强大工具，我们精确调控电子剂量（electron dose rate）和液体环境，逐渐摸索出了完整的实验条件。尤其在研究纳米粒子自组装的过程中，过弱的电子剂量会使得成像衬度不足，过强会引起液体环境的改变导致不规则组装甚至纳米粒子本身的改变；同时，我们可以调控液体环境（比如离子强度）控制研究体系中的多种相互作用，实现粒子间的组装或基底对粒子的吸附。利用这些规律，我们可以驾驭、利用好液相透射电子显微镜这一强大的工具来针对性的研究控制不同的动态过程。

值得一提的是，液相透射电子显微镜的实验需要安静昏暗的环境来提供稳定高质量的成像。于是，静谧的小屋里，关上灯，现实中的桌椅仪器逐渐隐去，取而代之的是缓缓亮起的荧光屏，那是电子落在上面引起的荧光，你看到一个个纳米粒子在其中飞速闪转腾挪，在你控制的电子束下或无序聚合，或有序组装，又一次宏观和微观之间的对话就这样开始了。

扫码阅读陈倩教授团队的精彩Account文章：

Nanoscale Cinematography of Soft Matter System under Liquid-Phase TEM

Zihao Ou, Chang Liu, Lehan Yao, and Qian Chen*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.0c00013?ref=xmol

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