Nature子刊：控制二维晶体形态的生长！

第一作者：Hao Wan

通讯作者：Maria M. Santore

通讯单位：美国马萨诸塞州大学

论文速览

本文研究了在二维弹性流体中成核、生长和集成的二维晶体的形态，这些晶体通常存在于巨大囊泡膜中。晶体形态的形成受到力学、渗透性和热收缩的相互作用的影响。为了减少固体应变，晶体倾向于形成消失的高斯曲率（即可展域形状），同时在周围的二维流体中产生增强的高斯曲率。

然而，在冷却生长晶体时，较大的囊泡由于其较小的表面积与体积而经历更大的膨胀和张力。结果，在大囊泡上形成了更复杂的形状，如具有可弯曲但不可伸展花瓣的花朵，尽管它们的曲率更渐进，而小囊泡则包含紧凑的平面晶体。

这种尺寸依赖性与已知的在刚性球形模板上生长的二维胶体晶体的应变能累积效应相反。通过膜内力学和处理的相互作用，指向可控复杂形状的柔性分子晶体的可扩展生产。

图文导读

图1：在不同大小的囊泡上生长的固体晶体的形态。这些晶体具有六方对称性，从凸六边形到高度非凸的星形和花形不等。

图2：晶体形状与囊泡尺寸的依赖性。通过实验观察了不同尺寸囊泡上的晶体形状，并建立了晶体形状与囊泡尺寸之间的关系。

图3：通过荧光显微镜和相差显微镜展示了囊泡形状与固体形状之间的关系。

图4：通过模拟展示了不同花瓣/核心比例的复合囊泡的形状，以及它们的平均（H）和高斯（KG）曲率分布。

图5：固体域形状（14%固体含量）的预测状态空间囊泡膨胀和大小的函数。

图6：通过微吸管抽吸技术评估了膜张力。

总结展望

本研究阐明了在弹性二维流体中生长的二维晶体形态是如何通过弯曲能量和线条张力之间的竞争来控制的，这种竞争颠覆了人们对于曲率半径控制球模板上晶体生长形态的预期。囊泡的热膨胀系数和渗透性等额外特性，允许系统地控制张力，从而在不同尺寸的囊泡中操纵二维晶体的形态。

研究表明，通过利用磷脂等二维膜流体的物理属性，可以控制地生产特定形态的二维晶体，并且无需改变化学组成就能选择这些形态。这项研究不仅对生物细胞膜的组织有潜在影响，而且为加工用于传感、光学和电子应用的薄膜晶体提供了新的途径。

文献信息

标题：Flower-shaped 2D crystals grown in curved fluid vesicle membranes

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-47844-x