典型軟物質體系的結構、性質及其應用

林友輝，張志森，郭文熹，吳建洋，曹學正，陳 虎，帥建偉，吳晨旭

(廈門大學物理科學與技術學院，生物仿生及軟物質研究院，福建省柔性功能材料重點實驗室，福建 廈門 361005)

“軟物質”自1991年由法國諾貝爾獎獲得者de Gennes 正式命名后，迅速發展為一個高度交叉的研究方向，由此軟物質物理學極大地拓展了物理學的研究對象[1-3].物質“硬”與“軟”是根據它們對外力作用的響應來定義，不同于硬物質對外界的壓力或拉力作用有很強的抵抗力，在外部刺激下軟物質材料表現為容易流動和變形等特征[1-3].軟物質材料包括液晶、膠體、凝膠、聚合物和表面活性劑等，它們存在于日常用品和工業生產中，如豆腐、肥皂、織物、牛奶和油漆等，甚至人體除骨骼和牙齒外也都是由軟物質所構成.盡管軟物質無處不在且與人們的生產生活息息相關，但有關于軟物質體系的科學研究仍然是一個尚未成熟的前沿學術領域.由于軟物質所具有的顯著不同于硬物質的某些性能，以及現今軟物質實驗研究和相關應用的快速發展，傳統的凝聚態物理和統計物理理論不能滿足對軟物質體系性能與特征的解析.因此，發展實驗技術、理論和模擬手段對軟物質的深入探索將有助于未來眾多關鍵行業技術的發展，包括柔性電子、生物醫藥、環境保護、汽車、航空、智能材料與機器人等.

廈門大學軟物質團隊從事范圍寬廣的軟物質課題研究，在軟物質力學、生命軟物質結構與性質、軟物質理論與模擬、生命體系與生物表界面，以及軟物質柔性電子應用等方向上取得了一系列的突破.本綜述主要總結本團隊近年來圍繞軟物質基礎和應用方面所取得的進展.首先將介紹幾種典型軟凝聚態體系結構與性質關聯研究進展，包括液晶、水及水合物、蛋白質大分子、聚合物復合體系和類聚合物；其次總結了生命軟凝聚態體系的相關進展，如細胞信號傳輸、神經網絡系統和生物表界面現象；此外，柔性電子及其能源器件作為軟物質的一個重要應用方向，在人工智能、能源、大健康等領域變得越來越重要.

1 軟凝聚態體系結構與性質的關聯研究

1.1 電場調控液晶與懸浮顆粒相互作用

液晶是一種介于固態晶體和液體之間且具有各項異性的軟物質.在過去的20多年中，膠體顆粒懸浮在液晶中所產生的有趣現象和行為引起了學術界的廣泛關注和研究，在新型的液晶顯示設備、拓撲記憶存儲設備、拓撲材料以及生物醫學探測器等領域具有廣泛的實際應用前景[4-5].在膠體顆粒與液晶盒子共存的體系中，盡管顆粒與顆粒之間、顆粒與盒子邊界的相互作用已有相關的實驗、理論和計算機模擬研究，但是在外場的作用下單個膠體顆粒與盒子邊界的相互作用在理論上仍未完全解決.本團隊[6-7]通過格林函數法解析出在外電場的調控下膠體顆粒和液晶盒整個懸浮體系的相互作用能，進一步研究膠體顆粒在液晶盒中的相互作用，發現外電場可以觸發懸浮膠體顆粒的位置相變，外電場的閾值與Fréedericksz轉變的閾值成正比；而且觸發膠體顆粒發生位置相變的臨界電場與液晶彈性常數和液晶盒子寬度的依賴關系，類似于Fréedericksz轉變中電場與這兩個參數的依賴關系，即臨界電場與彈性常數的平方根成正比，與盒子寬度成反比；同時，為了研究臨界電場與膠體顆粒的大小以及密度之間是否存在依賴性，對不同大小和密度的膠體顆粒在液晶盒子中發生位置相變的臨界電壓進行了數值模擬，發現電場的臨界值與膠體顆粒的大小以及密度之間不存在依賴關系；此外還探討了液晶分子的介電常數、不同錨泊方向與外電場的施加方向之間的組合對懸浮膠體顆粒產生位置相變的可能.上述研究為電場調控液晶中的懸浮顆粒的應用奠定了理論基礎.

1.2 水與水合物的結晶動力學與微納米力學性質

1.2.1 水結晶動力學

水的結冰現象與人類生活中許多重要方面息息相關：從自然氣候到人類社會，從經濟學到生物醫學研究領域，水結冰現象深刻地影響著人們的生活環境和生活活動.盡管目前關于水結冰的研究已經取得了長足的進展[8-12]，然而人們對于水結冰的微觀機制仍未達成共識.根據結晶成核原理，微觀的成核階段是宏觀晶體形成的先決條件，因而對水結冰的調控需要從冰的成核階段著手.目前水結冰研究發現[11-14]：理想的無雜質純水結冰的成核勢壘非常高，以至于在可預見的時間段里，很難看到理想純水結冰成核現象的發生.而外界雜質或固體表面的引入，可以大大降低水結冰成核的勢壘，從而加速其成核過程，也即通常所說的異相成核現象.結合本團隊在結晶成核調控[15-18]以及水結冰成核方面[13,19-20]的研究基礎，本團隊總結了影響異相成核速率的因素，除了與結晶成核研究領域所熟知的固液界面的界面能有關外，還與相關研究領域不太關注的基底的界面結構尺寸、幾何結構、有效接觸面積SArea以及外場因素誘導的有序結構等有密切關系(圖1)[20].由于臨界尺寸與過冷度的依賴關系，在過冷度很小的情況下，由雜質或固體界面所誘導的傳統意義上的異相成核機制將失去作用，水結冰的成核能壘將趨近于其均相成核能壘，結冰將由“類均相成核”的新機制控制.在這種條件下，本團隊通過成核實驗，準確地測量出冰-水的界面自由能這一公認的難以準確獲得而又十分重要的參數.同時，這一原理基礎也給出了界面結構抗凍的新概念，為界面抗凍的研究指明了新的研究思路和方向.

圖1 水結冰異相成核的影響因素[20]

1.2.2 可燃冰微納米力學性質

天然氣水合物(又稱“可燃冰”)作為21世紀一種潛力巨大的非常規能源，具有重要的能源與環境效應，日益受到各個國家和研究機構的關注.在自然界中，天然氣水合物廣泛分布于海底沉積環境與陸地永久凍土區域，其失穩分解可以觸發地質災害[21-22]、影響氣候環境變化[23-24]等.然而，由于水合物復雜的賦存環境、物質組成以及沉積物的異質性，含水合物沉積物的力學性質仍面臨諸多挑戰.為理清含水合物沉積物的力學行為，獲取純水合物的力學性質，作為評價含水合物沉積物力學行為的基礎數據顯得尤為重要.因此，本團隊對天然氣水合物系統的力學行為進行了初步的系統探究(圖2)[25].首先，針對單晶水合物體系，研究發現應變速率、溫度以及51262水籠中的客體分子的占有率極大地影響水合物的力學行為；并且在天然氣水合物結構中未發現位錯行為，而在冰結構中發現位錯行為.據研究數據，本團隊初步歸納出單晶水合物和單晶冰的力學行為差異的本質原因，在于水合物中的主客相互作用機制和氫鍵網絡與荷載方向之間相對夾角的動態變化機制[25-26].其次，針對雙晶水合物體系，采用大規模分子動力學模擬研究了雙晶冰-甲烷水合物以及雙晶甲烷水合物在拉伸、壓縮和剪切荷載條件下的應力應變響應行為[27].雙晶冰-甲烷水合物和雙晶甲烷水合物的力學行為主要受晶界微觀組織結構控制.在拉伸荷載下，水合物-冰雙晶體與水合物-水合物雙晶體均呈現脆性破壞，破壞起源于晶界微觀組織結構區域.在壓縮荷載下，水合物-冰雙晶體、水合物-水合物雙晶體均呈現塑性破壞特征；水合物-冰雙晶體的壓縮應力-應變曲線呈現兩個峰值強度.在剪切荷載下，水合物-冰雙晶體與水合物-水合物雙晶體先呈現彈性力學特征，后表現為平穩變化特征或鋸齒形變化特征，這主要受晶界滑移控制，并且伴隨晶界微觀組織結構的快速愈合過程[27].對于水合物-冰雙晶體和水合物-水合物雙晶體，二者的拉伸強度和壓縮強度差別較小；但是水合物-水合物雙晶體平均剪切強度約為水合物-冰雙晶體的3倍[27].接著，針對多晶甲烷水合物體系，探究了含冰量對含冰多晶甲烷水合物力學行為的影響特性，結果顯示含冰多晶甲烷水合物力學行為顯示出對含冰量的明顯依賴性[27]，例如：當含冰量為0～70%，含冰多晶甲烷水合物力學強度降低；而當含冰量為70%～100%，含冰甲烷水合物的力學強度增大的行為與已有的實驗研究結果相吻合[28].在施加荷載過程中，多晶甲烷水合物體系內部的籠穴結構處于動態變化過程中，并且存在不常見的籠穴結構，如51263和51264等.整體而言，多晶體甲烷水合物體系的塑性變形機理非常復雜，通常伴隨多種微觀機理的協同效應，如晶界滑移、晶粒轉動以及結構轉變等共同主導其力學行為[27].上述成果為本團隊認識和理解自然界天然氣水合物系統的力學行為提供了重要的微觀理論基礎，豐富了冰、水合物晶體斷裂力學行為的基礎研究，對理解地球上水合物儲層的穩定性、安全性和結構演化，甚至對太空中可能賦存水合物的其他星球演化具有有重要的啟發意義.

(a)水合物的分子結構；(b)冰的內部分子結構；(c)水合物-冰雙晶體的拉伸應力-應變曲線；(d)水合物-冰雙晶體的壓縮應力-應變曲線；(e)力學失穩示意圖.

1.3 蛋白質軟物質的力學性質與多級結構形成機制

1.3.1 蛋白質折疊去折疊動力學的單分子拉伸研究

蛋白質作為重要的生物大分子，其具體的生物學功能依賴于每種蛋白質特定的結構與構象轉變.生物體中大多數蛋白都具有由其氨基酸序列所決定的三維結構，但孤立的蛋白質二級結構往往是不穩定的.

蛋白質的三維結構可以用X射線晶體衍射、核磁共振或冷凍電鏡等技術得到，但其穩定性和折疊動力學過程還需要通過設計精巧的實驗來獲得.常用的研究蛋白質折疊動力學過程的生化手段是控制蛋白質所處環境的溫度、變性劑濃度來使得蛋白質發生相應的折疊或去折疊轉變.但生化實驗測量的物理量是所有蛋白質分子的平均性質，這使得可能存在的瞬時中間態往往被來自其他構象的信號所淹沒而很難獲得.最近20年來逐漸發展完善的單分子操縱技術提供了另外一種研究蛋白質穩定性和折疊動力學的有效手段[29-31].在單分子操縱實驗中，只有一個蛋白質分子被操縱并測量其結構狀態，這就避免了傳統生化體實驗的平均效應，使得不穩定的中間態也有機會被測量到.由于力學操縱中的外力做功可以精確定量計算，單分子操縱技術也可以給出蛋白質折疊自由能的準確測量.

近年來，本團隊利用單分子磁鑷技術研究了肌聯蛋白titin、細胞黏附蛋白α-catenin和β-catenin，以及免疫球蛋白結合結構域GB1、冷休克蛋白CSP、纖維黏連蛋白fibronectin等的力學響應和折疊動力學.下面以肌聯蛋白titin 的免疫球蛋白結構域I27為例介紹本團隊的研究發現(圖3)[32-33].

(a)I27結構域在拉力作用下去折疊的示意圖；(b)不同拉力下蛋白質的自由能曲面；(c)在4.5 pN作用下，I27發生折疊與去折疊轉變的實驗測量曲線和構象分布直方圖；(d)I27發生去折疊的三次典型測量曲線；(e)I27拉力依賴的去折疊速率.

肌聯蛋白titin是人體中最大的蛋白質之一，貫穿整個肌小結，是保證肌小結正確組裝并維持其穩定的重要蛋白質.在肌肉伸展過程中，titin會受到拉力作用而伸展甚至發生部分去折疊，其表現出的非線性彈性性質對于調節肌肉的彈性起到重要作用.本團隊將分子克隆技術表達的由8個I27結構域構成的蛋白質連接在玻璃表面與超順磁球之間，利用磁力對它進行拉伸[32].在沒有外力作用時，蛋白質的自然狀態N處于整個自由能曲面的最低點，保證了其結構的穩定性；在外加拉力作用下，蛋白質的自由能曲面將發生傾斜[32].隨著拉力的增大，去折疊狀態U的自由能相對降低，在臨界拉力時，N與U的自由能相等；在大于臨界拉力時，U變成自由能最低的構象，蛋白質會自發發生去折疊[32].這樣通過控制外力大小就可以對蛋白質的構象轉變進行調制.

在接近臨界拉力作用下，可以同時觀察到蛋白質的折疊與去折疊過程，長時間的測量得到兩種狀態的平衡態分布，進而可以得到蛋白質的折疊自由能[33].在拉力遠離臨界拉力時，可以通過力跳變的方法來測量在該拉力作用下蛋白質的折疊速率或去折疊速率.圖3(d)中給出30 pN下3條I27發生去折疊轉變的實驗測量曲線.通過分析蛋白質發生去折疊轉變前的等待時間就可以得到蛋白質的去折疊速率，而蛋白質去折疊速率對拉力的依賴關系可以給出蛋白質自由能曲面的信息，特別是自由能勢壘處過渡態的信息.

對于I27，本團隊還發現其去折疊轉變在拉力小于22 pN時去折疊速率隨著拉力增大反而減小，這就是所謂的逆鎖鍵現象[32].理論分析給出的模型考慮了過渡態的熵彈性性質，在拉力小于22 pN時過渡態中的多肽鏈部分會發生蜷曲塌縮，使得其長度短于自然狀態的首末端長度.這個模型很好地再現了I27的去折疊速率在0～100 pN范圍內復雜的拉力依賴曲線(圖3(e)).

1.3.2 絲素蛋白多級結構的形成機制

近年來，科技的飛速發展讓傳統蠶絲制品煥發出新的活力.再生蠶絲制品結構多樣，可以形成凝膠、纖維、支架、薄膜和海綿等.蜘蛛和蠶體內，絲蛋白轉變形成絲纖維是一個復雜的生化和物理變化過程.為了闡釋這一過程，已有“液晶”和“膠束”等不同模型被提出.這兩個模型可以解釋絲在拉伸和剪切下的產生過程，但均無法解釋無牽引作用下絲蛋白溶液仍能自發形成納米微纖的物理現象.因此，迫切需要發展相應的高分子物理理論以詮釋靜態體系中分子鏈結構的構象轉變及網絡形成機制.鑒于此，本團隊通過在絲素蛋白溶液中引入膠體小球，發展了絲蛋白網絡結構形成的“成核-結晶”機理，闡釋絲蛋白各級結構的形成機制，詮釋了蠶絲高分子鏈的構象形變如何受控于納米添加物；并從控制絲蛋白分子成核動力學和結晶過程的角度出發，實現了對其結構的調控及其性能的提升(圖4)[34].首先，溶液相中的絲蛋白分子以無規卷曲或α螺旋構象為主，通過成核過程轉變為β折疊，進一步結晶形成β微晶；接著，無定型鏈連接β微晶形成具有拓撲結構的微晶網絡；然后，進一步生長形成納米微纖網絡.實驗發現納米添加物可以控制蠶絲高分子鏈的構象形變，例如：膠體小球可以誘導絲素蛋白在其表面發生異相成核，從而降低絲蛋白分子的成核勢壘并加快成核速率，促進β折疊和β微晶網絡的形成(圖4)[34].由此，基于異相成核機理及納米微纖相互作用方式，本團隊從控制絲蛋白分子成核速率的角度出發，實現了再生纖維的斷裂強度和彈性模量的有效提升[34].

圖4 不同成核路徑示意圖(a)，及聚苯乙烯(PS)納米顆粒對絲蛋白分子成核與結晶的影響(b～c)[34]

1.3.3 羊毛角蛋白網絡結構形成策略及力學性質

從羊毛提取的羊毛角蛋白屬于無定型聚合物，具有非常好的生物相容性和可控降解性，但與絲素蛋白相比，相關研究開發較少[35-36].最核心的問題在于羊毛角蛋白分子鏈不能像絲蛋白一樣自身成核結晶形成網絡.針對這一問題，本團隊根據羊毛蛋白結構特點，提出了兩個新型策略誘導角蛋白鏈相互交聯形成網絡結構[37-38].一種策略是將羊毛角蛋白巰基與四臂的聚乙二醇乙烯砜(PEG-4VS)作為親電試劑發生邁克爾加成反應(圖5)[38]；另一種策略是通過簡單的生化修飾賦予羊毛角蛋白的光敏特性.在光照下，光引發劑吸收光子能量產生自由基，自由基攻擊接枝上碳碳雙鍵的羊毛角蛋白，引發交聯反應[37].根據構型熵與耗散結構理論，糾纏交聯網絡在受到壓應力撤銷時，為達到構型熵最大化，連接點之間的羊毛角蛋白鏈段可以迅速復原，因此所設計的三維網絡結構表現出極好的彈性[38].羊毛角蛋白的內稟屬性決定了其鏈段之間的相對運動所引起的摩擦及能量損耗低，而又由于羊毛角蛋白富含α-螺旋結構(形似彈簧，稱為分子彈簧)，通過結構重構，蛋白內部大量的分子彈簧交聯形成凝膠網絡結構；由于其內部結構的特殊性，該分子彈簧三維網絡具有超低的有效彈性模量[38].因此，角蛋白凝膠網絡對力很敏感，在較小的壓應力下可以產生相對較大的形變.且網絡結構非常穩定表現出極好的回復性：當有外力施加時，分子彈簧可以很好地將外力儲存；當外力撤去時，分子彈簧將儲存的能量完全的釋放，恢復原來的網絡結構(圖5)[38].結合光刻技術，研究人員成功制備出各種圖形的高精度蛋白質微結構.在整個光刻過程，僅使用水作為溶劑和顯影劑，這與傳統光刻形成鮮明對比，具有相當大的環境和安全效益[37,39].類似地，本團隊也可利用軟光刻法得到表面微結構完整度很高的角蛋白膜[40].在此基礎上還設計制備了周期性的蛋白微結構，根據光柵方程，在宏觀上可以觀察到虹彩效應，拓展了其在軟光學上的應用[37].

圖5 羊毛角蛋白軟物質的多級結構(a)示意圖和羊毛角蛋白凝膠的力學性質(b)[38]

1.4 聚合物與類聚合物體系的結構與性質關聯

1.4.1 聚合物復合體系的計算模擬研究

聚合物復合體系的研究是近幾十年來高分子領域的前沿熱點.納米顆粒對聚合物鏈的吸附能夠被用來實現不同高分子鏈之間的強且快速黏附，以增強增多高分子鏈之間的非共價物理交聯.本團隊在聚合物復合體系中設計嵌入瞬態網絡為仿生功能材料的發展和工業應用提供了一個全新方向[41-42].瞬態聚合物網絡的拓撲結構隨著時間的發展而動態松弛演化，這使得處于拉伸中聚合物復合體系能夠通過結構演化來實現應力釋放.本團隊利用理論與模擬設計了具有雙網絡結構的聚合物復合體系，并測量了處于不同應變率下的雙聚合物復合體系網絡的應力-應變關系曲線(圖6)[41-42].瞬態網絡的嵌入有利于在高應變率下能量的耗散，進而防止整個體系的拉伸破裂，而永久網絡在低應變率下保持復合材料的結構完整性與自修復彈性.

圖6 高強高韌的瞬態與永久雙聚合物網絡的模擬構建[41-42]

1.4.2 類聚合物的組裝特性

聚合物是軟物質領域中典型研究對象，如何將聚合物的柔性與脆性無機材料融合為一體，獲得既有柔性又有無機材料的光電熱等性質的新材料，一直以來都是一個挑戰.本團隊發現，對于無機一維納米線，當其直徑小于5 nm時，其形貌及尺度都與線性聚合物十分類似.因此，這些超細一維材料表現出類似聚合物的性質，即特別的流變學性質和自組裝性質，尤其是其尺寸結構與線性聚合物的類似特性賦予了超細無機納米線的柔性，可以大大拓展無機納米線在柔性功能器件中的應用.本團隊以超細金納米線為例，當其長度遠小于其臨界長度時，納米線在溶液相中顯現出與膠體納米粒子一樣的組裝行為[43].隨著長度的增加，納米線的類聚合物組裝特性越來越明顯，當其長度超過一定范圍，納米線顯現出完全的聚合物組裝特性.在溶液相中，在界面張力(一般為兩親作用)和納米線自身的韌性作用下，納米線可以組裝成不同的形貌，如納米環等[44-45].因此，以超細無機納米線為結構單元，構建功能納米器件，可以將無機納米材料的光、電、磁等特性與聚合物的柔性結合在一體，得到柔性功能的納米器件.

2 生命體系及生物界面研究

根據軟物質的定義，生命體系是最具有代表性且最為復雜的軟物質系統.本團隊另一主要研究方向是生物物理交叉學科的理論和實驗研究，已在細胞信號網絡、生物神經系統、免疫系統和癌細胞動力學理論、生物表界面等方面進行了一系列研究.

2.1 凋亡體組裝途徑建模

凋亡體的形成被認為是內途徑細胞凋亡發生的關鍵事件.當細胞受到凋亡刺激時，位于線粒體膜間隙的細胞色素 c(cytochrome c)被釋放到細胞質中，與單體形式的凋亡蛋白酶活化因子1(Apaf-1)結合，引起Apaf-1構象改變，隨后在ATP或dATP的參與下，7個Apaf-1·cytochrome c復合物(AC)組裝成“車輪狀”的凋亡體.凋亡體形成后引發caspase級聯反應，最終導致細胞凋亡.為了揭示凋亡體形成的分子機制，生物學家進行了大量系統、深入的研究，闡明了凋亡體的組成成分、三維結構以及凋亡體如何介導caspase-9激活等基本問題.關于7個AC復合物如何一步步地組裝成凋亡體這一問題卻鮮有研究.為此，本團隊構建了一個生物物理模型，結合當前有關凋亡體形成的生物化學知識，提出從一個AC單體組裝成七聚體的凋亡體有11條基本路徑，并窮舉了由它們任意組合而成的2 047種組裝途徑[46].通過數學分析和數值模擬，發現了兩條最受細胞青睞的基本路徑，并結合實驗觀測結果，綜合考慮轉化效率和速度兩項指標，最終找到52種最優組裝途徑[46].

2.2 細胞信號網絡與生物神經系統

鈣離子作為重要的胞內信號，控制著多種細胞功能，特別是當細胞內鈣離子濃度很高時，會導致細胞的凋亡，因此如何控制鈣離子濃度在適當幅度內，成為一個重要的調控機制.本團隊用二維模型討論鈣離子信號振蕩動力學，其中肌醇1,4,5-三磷酸受體通道在內質網膜上成簇分布，形成鈣離子振蕩擴散波[47].數值模擬表明，隨著鈣離子擴散系數增大，也即鈣離子耦合增強，集群離子通道導致的鈣離子擴散波出現衰敗現象，且擴散波的衰敗行為與鈣離子通道是否為確定性動力學系統無關.本團隊認為，在具有局域化可激發區域的非均勻擴散系統中，擴散波衰敗行為是一個普適的行為[47],預測該擴散波衰敗行為在細胞鈣離子信號系統中對鈣離子濃度振蕩幅度具有調控作用[47].

此外，本團隊研究了在無標度和小世界神經元網絡中電和化學自突觸對信號傳輸的影響，其中外部雙頻信號作為信號刺激引入到一個神經元中，而對網絡中神經元考慮3種類型的自突觸連接：電性、興奮性和抑制性.多頻混合信號是外部環境對神經網絡的一種重要刺激類型，神經網絡對刺激信號的編碼檢測機制可以通過振動共振來理解.本團隊的研究表明，適度的高頻信號可以放大神經系統對低頻信號的響應，抑制性自突觸在檢測神經網絡的微弱信號中起著重要作用；觀察到抑制性自突觸可以通過振動共振顯著增強信號傳播，而電性和興奮性自突觸通常會減弱信號傳輸，這表明抑制性自突觸更有利于將刺激信號的信息傳遞到整個網絡[48].這些發現有助于人們對自發性神經系統信號檢測和信息處理的理解，抑制性自突觸增強的振動共振行為可能為具有自反饋的生物系統動力學的理解提供更多的啟示.

西北某水廠建設于20世紀70年代，設計規模10萬m3/d，原水經消毒處理加壓后送至城市管網。水源水質受地質環境變化和地面環境污染等因素的影響，原水井部分出現鐵、錳普遍超標，濁度、色度、CODMn、氨氮季節性超標。造成供水量逐年降低，現有工藝已無法滿足滿負荷運行的需求，作為重要的城市水源，對既有工藝進行改造極為迫切，根據規劃要求對該水廠進行遷改建。

2.3 免疫系統和癌細胞動力學理論

2.3.1 具有表皮生長因子受體(EGFR)突變的肺鱗狀細胞癌的臨床和影像學特征

為分析EGFR突變的分布，本團隊研究了大量肺鱗狀細胞癌患者的臨床和影像學特征，評估具有EGFR突變的肺鱗狀細胞癌患者的臨床和影像學特征與臨床結果之間的相關性.對2013年2月至2017年12月切除的2 322例肺鱗狀細胞癌患者的腫瘤形態和免疫組化數據進行了回顧性研究，得到EGFR突變的分布以及患者的臨床和影像學特征，并使用單變量和多變量分析評估了EGFR突變狀態與臨床結果之間的相關性.研究指出，女性、無煙習慣、腫瘤形態不規則且具有標記針刺可能預示著肺鱗狀細胞癌中EGFR突變的存在[49].本團隊認為，根據EGFR突變的臨床和影像學特征篩選出的具有EGFR突變的肺鱗狀細胞癌患者，對其施用酪氨酸激酶抑制劑，可能會導致對阿法替尼有更高的敏感性[49].

2.3.2 非小細胞肺癌中EGFR T790M突變與常見EGFR激活突變并存的不良預后

EGFR 20號外顯子上的點突變(T790M)和插入突變(20-ins)均對EGFR-酪氨酸激酶抑制劑耐藥，屬于耐藥突變.目前的研究尚未完全闡明EGFR-T790M耐藥突變與肺腺癌患者影像學特征及臨床預后的關系.對2013年1月至2017年12月在上海市肺科醫院胸外科術后非小細胞的肺癌患者進行調研，統計其接受基因檢測的EGFR-T790M突變情況，并分析突變情況與肺腺癌患者影像學特征及臨床預后的相關性[50].研究表明，EGFR-T790M突變的患者具有比較獨特的影像學特征，與EGFR-T790M共突變能夠縮短EGFR主要藥敏突變患者的無進展生存期，并促進EGFR主要藥敏突變患者的遠處轉移，因此，EGFR-T790M突變與肺腺癌患者預后不良相關[50].

2.4 生物界面研究

生物醫用材料植入體內后，會發生一系列復雜的過程，包括小分子的吸附、蛋白吸附、細胞黏附、基質沉積、纖維體的包裹等.這個復雜的表界面過程不僅與植入體的性質有關，還與材料表面的物理化學性質有關，包括材料的表面成分、形貌、潤濕性、帶電性、表面能等.深入分析材料的結構性質有助于更好地理解材料的生物學響應機制.

以二氧化鈦納米管為例，納米管的管徑、晶型、潤濕性等都被證明會影響細胞和蛋白的響應，但由于納米管的性質可變，其中對于晶型和管徑效應的研究仍不完整.本團隊用相同的無定型二氧化鈦納米管經過簡單的馬弗爐退火與火焰退火結合，獲得了完整的銳鈦礦和金紅石的納米管，并研究了二氧化鈦納米管的晶型對蛋白和細胞響應的影響[51].蛋白吸附實驗結果表明牛血清白蛋白和胎牛血清蛋白在金紅石晶型的二氧化鈦納米管的吸附明顯高于無定型納米管，而銳鈦礦和混晶表面的吸附與無定型相比沒有明顯的區別；纖連蛋白和膠原蛋白在金紅石晶型的二氧化鈦納米管表面的吸附量最高，而銳鈦礦和混晶表面的吸附卻相對于無定型有所降低[51].通過考察不同晶型表面的潤濕性、電荷、羥基和粗糙度，本團隊發現材料表面不同的性質對蛋白吸附的影響規律不同，蛋白吸附的結果是材料不同性質間協同作用的效果，而吸附的蛋白進一步影響了細胞的黏附、增殖和分化[51].本團隊還通過制備大梯度二氧化鈦納米管微圖案(管徑范圍30～350 nm)來進一步全面研究管徑和晶型對細胞的影響，結果表明小管徑更有利于細胞的黏附、增殖和分化，且這一規律對無煅燒或經過高溫450 ℃煅燒的樣品也適用，進一步說明晶型對細胞的影響并不明顯[52].此外，本團隊在二氧化鈦納米管表面設計并制備了尺寸梯度變化的納米銀顆粒，并將其應用于納米銀顆粒抑菌機理研究[53].

3 柔性電子器件

柔性電子器件作為軟物質的一個重要應用方向，本團隊也在該方向上開展了一系列研究.

3.1 柔性傳感器

3.1.1 絲素蛋白基柔性傳感器

本團隊提出羥基的網鏈狀高分子化合物可大幅度促進再生絲素蛋白β折疊的形成；首次從分子角度揭示了羥基基團在絲素蛋白從α螺旋到β折疊結構轉變中起到的作用.基于此，通過介觀摻雜的方法制備出可耐高溫(>160 ℃)的絲素蛋白復合膜[54].由于該復合膜耐熱性能的提升，傳統的微加工技術可在蠶絲蛋白襯底上進行電路的印刷(需較高溫后處理)，這將克服蛋白質柔性材料難以兼容傳統加工工藝的難點，大大拓寬其在柔性電子器件方面的應用.在此基礎上，本團隊開發了一種高度可拉伸、透明、柔韌、低彈性模量的絲素蛋白薄膜，可舒適地黏附在皮膚上，不產生排斥反應[55].此外，通過靜電紡絲與轉移技術將這種薄膜與銀納米纖維結合，制備了一種柔性/可拉伸的絲素基銀納米纖維導電電極.基于此，進一步制備出兼具壓力和應變的柔性電容式傳感器(圖7)[55].它不僅具有廣泛的壓力和應變的監測范圍，還具有良好的透氣/透水性和生物相容性，因此可貼在皮膚上長期使用.

3.1.2 蠶絲纖維傳感器

本團隊在蠶絲纖維傳感器方面的工作主要可以概括為3個方面：蠶絲纖維可編織傳感器、全織物傳感器和自供電織物傳感器.如圖8所示：本團隊將銀納米線與碳納米管同時附著于蠶絲纖維的表面作為導電與傳感材料；然后通過紡絲技術將蠶絲進行編織，制備出可以同時檢測人體壓力和溫度分布的可穿戴電子織物(E-textile)[56].該傳感器擁有高的靈敏度S(0～4 kPa內，S=0.136 kPa-1)、低的響應時間(0.25 s)和良好的穩定性(大于5 000次循環)[56].在此基礎上，本團隊進一步研究了全織物的蠶絲基壓力傳感器，通過構筑間隔織物作為彈性體介電層，實現了全織物的電子皮膚，可用于人體的運動與健康檢測[57].同時，本團隊還首次在器件表面編織電感線圈，將感應電感線圈與傳感器進行集成，制備出LC諧振式無源傳感器，實現壓力的無線檢測.近期本團隊通過連續電紡絲的方法，可控地研制出超柔超細的導電耐溫纖維，開發出單電極的耐溫纖維狀摩擦納米發電機；在實現能量收集的同時，其還可作為動態力檢測的自驅動傳感器，實現微小振動的超靈敏檢測以及無源的火災救援與定位[58-59].

3.1.3 羊毛角蛋白基壓力傳感器

如1.3.3小節所提，本團隊所設計的羊毛角蛋白基三維分子彈簧凝膠網絡具有極好的彈性、高抗疲勞性、快速的自恢復能力及壓力敏感性等.這些特性使得羊毛凝膠網絡在柔性電子領域具有廣泛的應用前景,如將該凝膠作為介電層夾在兩個不銹鋼箔之間，可以構建一個靈活而直接的應變傳感器[38].在外部應力的存在下，羊毛角蛋白凝膠介電層急劇變形，導致可檢測的電阻下降或電容增加；而應力釋放后，三維分子彈簧網絡能夠迅速恢復到初始狀態[38].基于此角蛋白凝膠的壓力傳感器可快速、靈敏且穩定地監測人體脈搏的波形、聲音等高頻生理信號，以及手指或手臂彎曲等大幅度的低頻活動[38].此外，信號檢測范圍與所設計網絡的拓撲結構(糾纏交聯密度和網絡連接密度)息息相關，通過控制拓撲結構可以滿足不同場景下壓力檢測的需求[38].

3.2 柔性功能納米器件

3.2.1 超細納米線基復合器件

基于其類聚合物特性，本團隊將經典的聚合物組裝方法-呼吸圖案法應用到超級無機納米線的組裝，實現了不同的超細無機納米線在柔性基底(如PET等)的組裝，獲得了不同的功能納米器件.如：超細金納米線可以在柔性的PET上組裝成規則的六方密堆積的蜂窩狀薄膜[60].得益于貴金屬金的良好導電性、六方密堆積結構的超穩定性、多孔結構的高透光性以及超細納米線的柔性，制備的超細金納米線薄膜在柔性透明導電薄膜上體現出巨大的應用潛力.此外，本團隊還制備了超細氧化鎢納米線蜂窩狀薄膜[61].氧化鎢材料有著非常良好的電致變色性能，而蜂窩狀結構使得其變色可調窗口大且結構穩定，因此所制備的薄膜在柔性電子變色納米器件有著非常廣闊的應用潛力.除了呼吸圖案法外，本團隊還嘗試了其他經典的聚合物組裝方法，如冷凍干燥法[62].超細金納米線在冷凍干燥的過程中可以在冰-水界面之間誘導組裝，形成多孔薄膜結構.此薄膜結構也在柔性透明導電膜上有著很好的應用潛力.將剛性的無機材料與柔性的有機材料結合為一體，大大拓展了制備柔性功能納米器件的思路.在超細納米材料領域，除了一維納米線外，二維超薄納米片結構，鑒于其在某一尺度上的超細特性，同樣也有可能顯現出其類聚合物特性.結合其優越的光、電、磁等特性[63]，二維超薄納米片有望在柔性功能納米器件領域形成一個新的研究熱點.

3.2.2 金屬硫化物基柔性可穿戴器件

本團隊基于多種金屬硫化物納米材料，通過形貌調控、復合協同效應和界面工程策略增強電極電化學反應動力學，并從法拉第反應機理出發，揭示電極表界面相互作用，系統探討電極表面法拉第電荷儲存行為的影響因素，有效協同電極的贗電容和類電池擴散控制行為，發展高性能、長壽命和強機械穩定性的可穿戴電化學儲能裝置[64-68].如硫化物薄膜作為活性電極材料，組裝得到的柔性固態電化學儲能器件在電荷存儲性能、柔韌性以及穩定性方面都具有良好的表現，在可穿戴領域具有可期的應用潛力[65-67].另外，本團隊發現不同硫化物材料的電化學反應特性存在較大的差別，對于NiCo2S4@MgS和Co9S8@NiCo2S4兩種不同復合硫化物電極，兩者的微觀結構相似，但電化學循環伏安掃描曲線和恒電流充放電曲線存在明顯區別，前者顯示比較明顯的贗電容行為，而后者則有清晰的氧化還原峰和充放電平臺，表現出類電池行為特征[65,67].因此，今后有必要對它們的儲能機制進行深入探討，充分理解硫化物材料的儲能行為規律，為優秀電極材料的篩選提供理論指導.

4 總結與展望

廈門大學軟物質團隊經過20年發展融合，已形成了獨具特色的軟物質領域研究群體，旨在提升我校在軟凝聚態物理及交叉領域的核心競爭力和研究地位.本團隊研究主要集中在軟物質的結構、性質、功能化及其應用研究，包括軟物質結構形成機制、結構重構及介觀功能化、結構性質的相關性、生物仿生材料和智能材料設計，以及柔性電子、能源器件應用.同時，本團隊也相信將柔性器件與物聯網、云通訊、大數據、人智能等技術相結合, 未來在實現智慧醫療、智慧養老、智慧家庭、智慧生活上定大有可為.

致謝:對廈門大學軟物質團隊成員黃巧玲、葉美丹、徐俊、許清池、林昶旭和馬銳對本綜述寫作和修改做出的貢獻表示感謝.