手性是一种空间对称性破缺现象，意味着一个物体无法与其镜像结构相重合。手性普遍存在于自然界中，对生命演化和材料自组装有着深远影响。在材料自组装过程中，手性可以从组装基元（如DNA、多肽等生物分子或聚合物链段）逐级传递至介观乃至宏观尺度。这种多层次的手性传递效应显著影响材料的力学、光学等性能。揭示多层次自组装过程中的手性传递机制及其对组装行为的影响规律，不仅能为先进材料的设计与构筑提供新策略，也有助于加深我们对生命奥秘的理解。

  手性液晶相是探究手性传递机制的一类重要模型体系。例如，DNA、病毒、纤维素纳米晶等棒状基元可以组装出丰富的手性液晶相结构。形状各向异性、非手性作用以及手性作用等多种因素的协同和竞争在这一过程中起着关键作用。例如，已有研究表明，手性棒状fd病毒的手性作用可以调节界面张力，进而调控不同手性组装结构（如手性盘和螺旋条带）的形成。尽管手性自组装研究已经取得了一系列重要进展，但关于手性的作用规律及其在自组装过程中的传递机制，仍缺乏清晰的物理图景。尤其是各向异性手性作用与各向同性聚集作用之间的协同作用机制这一基本问题，尚需深入探讨。

  在揭示多级自组装中的手性传递机制研究方面，计算模拟发挥着不可或缺的重要作用，为理解手性棒状基元的组装行为提供了关键性的见解。然而，现有研究中通常采用Rigid-Body算法，这导致所模拟的手性棒状基元缺乏形变性。由于这些棒状基元无法进行内部运动或形变，限制了其对实验现象的有效重现。此外，大多数模拟采用蒙特卡洛方法，进一步限制了对组装动力学过程的准确描绘。为了深入理解手性自组装现象，迫切需要开发新的模拟方法，进而有效描述具有形变性的手性棒状基元的自组装动力学。为此，郑州大学李占伟特聘教授团队基于前期已发展的补丁粒子模型（Soft Matter, 8, 6693, 2012; Soft Matter, 12, 741, 2016; Soft Matter, 14, 7625, 2018; J. Phys. Chem. Lett., 12, 8872, 2021; J. Phys. Chem. Lett., 12, 7159, 2021），进一步发展了补丁粒子链（Patchy Particle Chain，PPC）模型及介观动力学模拟方法，针对手性和聚集作用如何共同调控手性棒的自组装行为进行了系统的理论模拟研究。

  补丁粒子链（PPC）模型如图1（a, b） 所示，手性棒由13个补丁粒子组成的半刚性链构成，这些补丁粒子自下而上以顺时针方向螺旋扭转30度，从而赋予棒状粒子螺旋手性特征。手性棒之间的非键相互作用包括三部分：各向同性的排斥作用、各向同性的吸引作用以及各向异性的手性作用。如图1和图2所示，当手性作用比较弱时，增大聚集作用，他们得到了与实验一致（Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2010, 107, 10348）的盘状（图1（d））和近晶束状（图1（e））组装体。当手性作用较强时，增大聚集作用，他们得到了与实验一致（Nature, 2012, 481, 348）的手性螺旋条带（图2（b））、盘状（图2（c））和近晶束状（图2（d））组装体。手性螺旋条带结构呈现周期性变化，而手性盘状和近晶束状组装体的手性仅集中于组装体的边缘位置。如图3所示，自组装动力学结果表明，手性传递主要分两个阶段进行。第一阶段，手性棒通过聚集和扭曲，连接形成类似凝胶的无序网络，在此阶段手性由棒状基元传递到局部结构。第二阶段，组装体逐渐调整变得越来越有序，手性从局部结构传递到整个组装体。图4中关于溶质和溶剂之间接触数的定量统计结果表明，聚集作用会单调减少接触数（增加界面张力），进而促进液晶相结构的形成。而手性作用对界面张力的影响是非单调的。当手性作用相对较弱尚不足以抵抗聚集作用时，其扭曲作用受到抑制，补丁之间各向同性的弱吸引作用占据主导地位，此时增加手性作用会导致界面张力增加。然而，当手性作用足够强能够克服聚集作用的粘滞效应时，组装体会发生扭曲，使得棒的波动和扭曲增加，从而增强了手性棒之间的有效排斥作用，这等效于棒与溶剂之间的吸引力增加，进而降低了界面张力。

图4： 聚集作用强度U_A和手性作用强度U_C对接触数N_SASA的影响规律。

  论文信息：Shu-Jia Li, Yu-Wei Sun, Zhan-Wei Li^*, Two-Step Chirality Transfer to Twisted Assemblies: Synergistic Interplay of Chiral and Aggregation Interactions, ACS Nano 2024, 18, 39, 26560–26567.

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c03147