自然有机结构是通过生长的模式形成的，在这一过程中，营养液被吸收、传输和整合。与之对应的，人工合成的结构通过完全不同的方法来得到，例如组装、铸造、切割和打印。因此，如何有效地在材料表面进行微结构的可控生长，来模拟自然有机结构的形成，对研究生物体内的相互作用有着重要的意义，且这是一项挑战。

  针对以上问题，德国莱布尼茨新材料研究所/电子科技大学崔家喜教授团队与上海科技大学的郑宜君教授通过将多种进程融合在单个聚合物网络中，包括对可聚合分子的吸收，分子的迁移以及新生成的聚合物与原始聚合物之间的交换与融合，使用紫外光的调控实现了微结构的定向生长。对可聚合分子的吸收可以通过溶胀的方法来实现，同时这些分子是可以通过聚合与基材来进行融合的。因此，如何在三维聚合物网络中对分子进行有效地迁移是一项具有挑战性的工作。他们发现，在凝胶基质中，可电离的离子对的形成能够显著增强聚合物网络的溶胀能力。

  基于此，他们通过控制可电离的离子对的原位形成来调控分子在三维网络中的迁移。在设计中（图1），三种不同的反应---光降解，光聚合和酯交换汇集在一个体系中，分别起到了引导液体组分（营养液）在三维网络中的迁移，将液体组分转化为聚合物以及重构新生成的聚合物和原始聚合物的作用。因此，在不需要任何预先处理下，微结构可以直接从基材的表面生长起来（图2），并且该微结构的尺寸、组成和强度可以得到较好的控制 （图3）。这些灵活的可调节特性不仅可以在材料表面制备微结构，还可以用于大面积的材料损伤自修复（图4）。

图 1. 在基材表面通过光来调控生长的示意图。(a)可生长的“种子”的组成部分。(b)溶胀的“种子”。用于溶胀的培养液包括单体，交联剂，光引发剂和酯交换催化剂。(c) 选择性紫外光在溶胀基材表面的照射。硝基苯分子的光解可以产生可电离的离子对，该离子对可以诱导液体组分向被照射区域的迁移。(d) 光聚合产生新的聚合物。 (e) 通过酯交换，新产生的聚合物网络可以和原先的聚合物网络融合在一起。

图 2. 光照条件下微结构在基材表面生长（侧视图）的时间依赖性。光照强度：10 mW·cm^-2。光掩模尺寸：500 μm。比例尺：250 μm。

图3. 微结构生长的调控。(a) 光剂量开关的影响。(b)和(c) 微结构的二次生长。(d) 不同交联剂含量对强度的影响。(e) 不同光响应分子的影响。(f)不同组分的影响。

图4. (a)-(e) 材料表面微结构的生长。(f)-(k) 生长策略用于大面积材料损伤的自修复。

  近日，该研究工作以Light-regulated growth from dynamic swollen substrates for making rough surfaces 为题发表在国际顶刊Nature Communications上，文章第一作者为博士生薛璐璐，论文共同通讯作者为崔家喜教授和郑宜君教授，德国莱布尼茨新材料研究所为第一单位。该工作得到了莱布尼茨研究所，上海科技大学启动经费和中国国家留学基金委的支持。

  论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-14807-x 

作者简介

  崔家喜教授，主要研究方向包括动态软材料、响应性高分子、仿生材料、高性能水凝胶、生物材料等领域。以第一作者/通讯作者在 Nature Materials, Nature Communications, Advanced Materials JACS, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Functional Materials, Material Horizons等国际著名期刊发表学术论文 70 多篇，作为主要发明人获得美国专利授权 2 项，H 因子 26。编写英文专著（章节）2 部。