编辑推荐：
为解决小分子自组装难以构建稳定大规模结构的问题，研究人员开展了关于四肽 YAWF 自组装成液晶水凝胶（LCH）的研究。结果发现 LCH 可通过水调控结晶构建稳定固体线，能支撑自身 250 倍重量，这为构建大规模结构提供了新策略。
在科学研究的微观世界里，小分子自组装一直是个充满魅力却又挑战重重的领域。小分子通过非共价相互作用进行自组装，有望构建出动态、稳定且大规模的结构，这在众多领域都有着巨大的应用潜力。然而，现实却给科研人员们泼了一盆冷水。目前面临的一个关键难题是，如何让非共价相互作用精准地发生在理想位置，从而使构建出的结构拥有媲美共价键的强度。以往，由自组装小分子构建的材料大多局限于纳米级结构，由于分子间相互作用较弱，很难构建出稳定的大规模结构。这一困境使得小分子自组装在一些需要大规模结构支撑的应用场景中举步维艰，比如构建人工肌肉或可穿戴电子产品等。
为了攻克这一难题，来自浙江大学、西湖大学等机构的研究人员展开了深入研究。他们聚焦于一种由酪氨酸（Y）、丙氨酸（A）、色氨酸（W）和苯丙氨酸（F）组成的四肽 YAWF。经过一系列探索，研究人员惊喜地发现，YAWF 能在优化条件下自组装成一种超粘性的液晶水凝胶（LCH）。这种 LCH 具有诸多独特的性质，它的机械性能可受水调控，并且能够通过水调控结晶构建出稳定的固体线。这些固体线表现出惊人的强度，能够支撑自身重量的 250 倍。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为小分子自组装构建大规模结构开辟了新的道路，具有重要的科学意义和应用价值。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，利用固相肽合成法制备相关肽段；采用冷冻电镜（Cryo-EM）在原子分辨率下解析 LCH 纤维的三维结构；通过流变仪测量 LCH 的流变学性质，如应变依赖的振荡流变、频率依赖的振荡以及黏度等；运用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）等对固体线的形态和力学性能进行表征 。
YAWF 自组装成超粘性 LCH
研究人员在探索不同四肽的凝胶化和自组装特性时，偶然发现 YAWF 在特定条件下可形成超粘性水凝胶。他们测试了不同浓度的 YAWF，发现 2.3 wt% 的浓度最适宜形成稳定水凝胶。通过核磁共振（NMR）分析等手段证实，不同合成批次和纯化方法的 YAWF-TFA 性质一致，且抗衡离子的选择不影响水凝胶特性。透射电子显微镜（TEM）显示，YAWF 可自组装形成超长纳米管，且其自组装过程存在浓度和时间依赖性。动态光散射（DLS）测试则确定了 LCH 解聚的能量势垒约为 95 kJ/mol。
LCH 的机械性能
由于 LCH 的超粘性，研究人员使用特殊装置进行流变学测量。应变依赖的振荡流变测试表明，LCH 在标准线性粘弹性区域内存在水凝胶向溶液的转变点（应变值约 25.0%），表现出适度的粘弹性行为。频率依赖的振荡显示，其弹性模量（G’）几乎与测试频率范围无关，体现出结构化和凝胶状的行为。LCH 的黏度约为 90.5 Pa?s，具有良好的自愈合性，在多次测试中，损耗模量和储能模量在第一轮后略有下降，随后保持稳定。
LCH 纤维的原子级 Cryo-EM 结构
利用 Cryo-EM 单颗粒分析技术，研究人员获得了 LCH 纳米纤维的三维原子分辨率结构。结果显示，纳米纤维整体结构具有 C2 对称性，呈细长螺旋状，平均螺旋上升高度为 4.6 ?，扭转角度为 5.15° 。每个 YAWF 分子呈 y 形排列，酪氨酸残基指向内部形成中央隧道表面，色氨酸和苯丙氨酸残基构成外壳，丙氨酸残基连接内外表面。分子间广泛的氢键和芳香 - 芳香堆积相互作用不仅使纤维结构紧密，还赋予其沿螺旋轴的一定拉伸性。
纳米管排列成线
传统方法常使用二价抗衡离子帮助自组装纳米结构排列构建宏观结构，而 YAWF 只需调节 pH 就能自组装成 LCH。施加外力后，LCH 中的纳米管可排列成有序的固体线。研究发现，水在这一过程中起着关键作用。LCH 中的纳米管形成框架困住水分子，施加剪切力后，纳米管排列更有序，导致水分子失衡被挤出，使纳米管间距减小，LCH 弹性增加。继续拉伸时，更多水分子逸出，最终形成大规模固体线。实验中，LCH 展现出良好的拉伸性和粘附性，能制备出超细线，且细线具有较高的动态稳定性。
固体线的表征
SEM 结果显示，流变仪制备的固体线截面均匀，直径超 10 μm；手工制备的细线虽含有节点，但在理想环境下，2 μL 的 YAWF 水凝胶可拉伸成超 1.2 m 的线。研究证实，结晶后的线能支撑约 250 倍自身重量的材料。通过动态力学分析（DMA）和 FluidFM 测量发现，不同制备方式和拉伸速率会影响固体线的杨氏模量，且拉伸速率越高，杨氏模量越大。POM 结果表明，固体线具有各向异性，分子排列方向与线生长方向夹角约 33 度，这揭示了纳米管拉伸时的变形机制。
在研究结论与讨论部分，研究人员成功制备出可自组装成 LCH 的未修饰短肽 YAWF，LCH 可通过水调控结晶构建动态、稳定的大规模结构，且具有可回收性。该研究揭示了从单个分子到纳米管再到线的分层复杂自组装机制，表明短肽等小分子在构建稳定大规模结构方面具有巨大研究潜力，为相关领域的进一步发展提供了重要理论基础和实践指导，有望推动人工肌肉、可穿戴电子产品等领域的技术革新。
