伊利诺伊大学香槟分校
来自美国的多学科研究小组
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是第一个在合成材料中观察和模拟纳米级形态发生的科学家，纳米级形态发生是自然界中常见的过程
该研究的合著者，左起，冯杰教授和钱晨教授，他们正拿着主要作者和前博士后安孝成教授和教授的照片
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布莱恩·斯托弗 形态发生是大自然用一套固定的成分来构建不同结构和功能的方式
虽然自然界有很多形态发生的例子——例如细胞分化、胚胎发育和细胞骨架形成——但对合成材料中这一现象的研究却很少
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员正在向前迈出一步，使用电子断层扫描，流体动力学理论和机器学习来观察软聚合物，因为聚合物从大自然中学习
由材料科学与工程教授钱晨领导的这项新研究；机械科学与工程系教授解峰；化学和生物分子工程教授萧肃；第一次证明了合成材料中的纳米级形态发生
这项研究发表在《科学进展》杂志上
“你可能会看到家庭净水系统中的过滤器是带孔的简单薄膜，但当我们使用电子断层扫描放大时，它们要复杂得多，”这项研究的主要作者、韩国全南国立大学石化材料工程教授、前伊利诺伊州博士后研究员Hyosung An说
“通过从一个可旋转的平台上捕捉样品膜的图像，我们可以在亚纳米分辨率下重建它们的完整三维形态
" 不同角度的成像使研究人员能够以前所未有的空间分辨率看到膜的复杂三维结构——包括所有褶皱、内部空隙和网络
该研究实验部分的负责人陈说，这些结构太复杂了，以至于传统的形状描述符，如半径和长度，都是无效的
为了帮助团队成员理解膜的复杂本质，研究生约翰W
史密斯和姚开发了一个基于机器学习的工作流程来数字化结构参数
史密斯和姚的努力立竿见影
“我们可以看到合成膜和生物系统之间的形态相似性，”冯说，他和博士后研究员季一起领导了这项研究的流体动力学和反应模型
“我们测试了几个模型，发现与解释宏观生物系统中发现的结构(如鱼皮上的图案)的传统理论惊人的定量一致
这些分子很聪明，我们预计类似的形态发生在其他软聚合物材料中——我们只是直到现在才有工具来观察它们
" “这种影响超越了机械理解，”苏说，他和研究生斯蒂芬·科蒂一起领导了膜分离研究
“分离科学的一个长期难题是如何将膜形态和性能联系起来
我们的研究将对形态学的详细纳米级理解与膜过滤测试相结合，对各种分离环境具有重要意义
" 研究人员设想了这一发展的广泛应用，可能通过形态发生扩展聚合物、囊泡、微凝胶和复合材料等软纳米材料的功能
“通过在形成化学反应期间铸造3D纳米形态，这一进展将有利于其他复杂3D形态材料的设计，”陈说
“像驱动纳米机器和其他具有精确三维界面形态的生物启发材料这样的设备背后的技术，其形状可以影响生物相互作用，这些技术都可能因我们的发现而进步
" 论文“通过定量3D成像和机器学习揭示的聚酰胺薄膜中纳米形态形成的机理和性能相关性”由科学进展发表
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