天然有机结构是通过一种吸收、运输和整合养分的生长方式形成的。相反，合成架构是通过根本不同的方法（例如组装、模制、切割和印刷）构建的。如何通过合理的设计来更好的模拟生长这种行为，以此来研究其在生物工程方面的应用，于材料研发而言是一大重点。

近日，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使用光调控的分子转移来实现了材料的定向生长。该研究成果发表在国际顶级期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上，题为“Light-regulated growth from dynamic swollen substrates for making rough surfaces”。

在论文中，研究团队报告了通过耦合光解、光聚合和酯交换反应，从膨胀的动态基质表面调节微结构的局部生长的光诱导策略。

作者称，光解作用用于产生可解离的离子基团，以增强溶胀能力，从而将含有可聚合成分的营养液驱入照射区域，光聚合将可聚合成分转化为聚合物，酯交换反应将新形成的聚合物掺入原始网络结构中。

这种受光调节的生长在空间上是可控制的并且是剂量依赖性的，并允许对生长结构的尺寸、组成和机械性能进行精细调节。研究团队还证明了该方法在制备表面微结构和恢复大规模表面损伤中的应用。

生命有机体能够通过一种生长模式创造出各种引人入胜的微观结构。在自然生长过程中，养分被吸收到体内，在内部运输，然后按照内在代码的指令整合到有机体中。与自然界中这种完全动态和开放的方法相反，合成材料具有自组织机制，无法不断吸收外部质量而不损害材料的完整性。

研究报告了一种光调节策略，以控制从溶胀的基材表面的微结构的局部生长。在其设计中，将三种反应——即光解、光聚合和酯交换反应耦合在一起，以引导截留在基质中的液体组分的运输，将液体中的可聚合组分转化为聚合物，以及重新配置新形成的和原始聚合物。这些反应的结果是，微结构可以直接从平坦的基板上生长而无需任何预编程。发达的光诱导生长方法是空间可控的、剂量依赖性的和可多次触发的，可用于创建各种粗糙表面或恢复大规模的表面损伤。

图1(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2a显示了从平面溶胀的“种子”表面（20％）光诱导的柱状生长的图像。在紫外线照射过程中，规则结构从材料表面的照射区域缓慢生长，并且在测试期间，此支柱的高度可以达到250μm。

图2b显示了通过生长柱高评估的生长过程。365nm或460 nm的光照射引发了20％溶胀的种子的生长过程。暴露于365 nm的光会触发聚合和光解反应，而460 nm的光只会引起聚合。在这方面，可以使用460nm的光进行实验，以评估光解反应的贡献。两种光的照射强度是相同的（10 mW cm-2），并且这种设计用于实现类似的光聚合效果（光聚合转化率在2 min内达到平稳状态）。在用365nm的光照射后，生长结构的高度在最初的5 min（75μm）中迅速增加，并在50 min内达到250μm的平稳状态。生长的样品在黑暗中过夜保存后仍保持其形状。相比之下，对照样品中也发生了生长，但是在平台处生长的结构的高度明显较小（70μm）。

被光控制的增长

光诱导的生长不仅是局部的，而且在时间上也是可控制的。研究人员在“种子”表面（20％）通过切换照射光来证明这种能力。

如图3a所示，可以仅通过实施照射来触发生长。例如，生长的结构的高度在激活的第一分钟内增加到25μm，并且当关闭光源时生长停止。通过打开灯来重新开始生长。这种“开-关”调制可以一直扩展到增长达到平稳。另外，还研究了包括“种子”的交联度，照射区域的直径和光强度在内的几个参数来调节生长。将“种子”的交联度提高20％会降低其溶胀能力以及高原状态下生长结构的高度。随着照射直径的增大，在平台状态下的生长高度从266μm增加到600μm，但是在>600μm的范围内下降。研究人员将这种增加归因于光聚合引起的热效应（温度升高会加速液体分子的扩散速率，从而加速其生长）。增加辐射直径有利于温度升高也延长了扩散距离，因此减少了生长。在较大的直径范围（>600μm）中，这种减小效果变得更加明显。对于光强度的降低，由于较慢的光解和聚合反应而降低了生长。

参考来源：Light-regulated growth from dynamic swollen substrates for making rough surfaces

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14807-x