视频级扫描揭示二维分子阵列的自组装动力学

背景：

二维材料以其广阔的应用前景吸引了无数科学家的目光，这些仅由单层分子构成的平面结构，展现出令人惊叹的物理和化学特性。然而，它们的成核过程，即形成的第一步，却鲜少被关注。近日，中美联合研究团队运用高分辨率、原位原子力显微镜（AFM）成像技术，对二硫化钼（MoS2）表面上一维肽晶体的自组装动力学进行了实时监测，揭示了二维材料成核过程的新机制。

自组装是分子自发组装成有序结构的过程，也是二维材料形成的基础。它在生物体内的细胞膜形成、DNA复制等生命活动中扮演着关键角色，同时在材料科学领域也具有广泛的应用。了解自组装的动力学机制，有助于我们更好地控制和优化自组装过程，从而精确调控材料的性能，推动创新。

结果与分析：

在这项研究中，科学家们研究了肽这类短蛋白片段是如何在溶液中的二硫化钼表面成核成为二维晶体的。他们发现，当肽在溶液中遇到二硫化钼表面时，会自发地成核并逐渐生长成为整齐的二维阵列。这一过程从有序的核开始，犹如绘制画卷的第一笔，然后一次生长一行，直至绘制出完整的二维平面。        

图1: Cypher VRS AFM观测肽的原位动态生长过程

利用牛津仪器Cypher VRS拥有的视频级扫描速度与高分辨成像能力，科学家们得以实时观察到肽晶体的形成过程（图1）。他们将所观测到的现象与分子动力学模拟进行对比，结果发现，肽分子在成核时并不需要克服自由能垒或达到某个临界尺寸，这与吉布斯一个多世纪前提出的经典成核理论相吻合。这一发现不仅验证了长期以来未经证实的理论预测，也为科学家们提供了新的研究视角。

经典成核理论认为，晶体成核是一个逐步的过程，每次增长一个单元，直至形成稳定的核。本研究的发现支持了这一理论，表明二维材料的成核过程同样遵循这一规律。这一结果对于理解自组装动力学具有重要意义，它不仅加深了我们对材料形成机制的认识，还为设计新型微电子设备、制备功能性膜材料乃至组织工程等领域的研究提供了宝贵的指导（图2）。

图2 ：原位AFM图像显示肽附着在表面并直接生长程有序结构晶体，是一个逐步的过程，每次增长一个单元。(F-J)晶核小岛的形成和发展；单排成核[(K)和(L)]，并列入现有行相邻的新行[(M)到(O)]。

总之，这项关于二硫化钼表面上一维肽晶体自组装动力学的研究，不仅为我们揭示了二维材料成核过程的奥秘，科学家们还将研究自组装过程在不同材料体系中的通用规律，为实际应用提供更多理论依据。此外，晶体自组装的发掘也将助力发现更多具有独特性能和广泛应用前景的新材料。

仪器使用与细节：

实验采用了含有七种氨基酸Tyr-Ser-Ala-Thr-Phe-Thr-Tyr（YSATFTY）的 MoSBP1肽。通过牛津仪器Cypher ES AFM以轻敲模式（tapping mode）获取形貌图，探测从溶液附着到表面开始肽的结构和有序排列。从图像中可以看出，ES 在受控液体环境中运行时，可以捕获快速、高分辨率、稳定的图像。此外，还使用 视频级AFM Cypher VRS以轻敲模式获取了成核和生长过程的高速形貌电影。VRS能够以每秒高达625行的线速度成像，同时具有与其他 Cypher AFM 相同的高分辨率和易用性，是获得高分辨动态图像的不二之选。所示视频以每秒2.56帧的速度获取，以10倍速度播放。

相关应用领域：二维材料（Two-dimensional (2D) materials），蛋白分子（short protein fragments）

引用: J. Chen, E. Zhu, J. Liu, et al., Building two-dimensional materials one row at a time: Avoiding the nucleation barrier. Science 362, 1135 (2018).

http://doi.org/10.1126/science.aau4146

说明:这里显示的数据是在合理使用的情况下，从原始文章中摘取并重新排布，更多信息可以通过上面的文章链接访问。

往期推荐

牛津仪器原子力显微镜Cypher视频级成像速度推动DNA解旋酶里程碑式进展

···