非平衡膠體

燃料驅動的膠體組裝開闢了一條途徑，通往全新受生物啟發的活性材料。

長期以來在自然界中，超結構（superstructures）（譯者註一）的自發排序和形成一直啟發著物理學家、化學家，以及材料科學家。由原子和分子結構模塊，可以實現複雜排序產生看似數量無窮的各種材料，每種材料都有著自己的特性和功能。從堅硬的岩石和寶石到柔軟的細胞和組織，全部都源自於其基本成分的分層組織（hierarchical organization）。

香蕉形膠體顆粒的共聚焦顯微鏡圖像，添加了顏色以表示香蕉短軸的不同方向，由於顆粒的曲率和長度變化很大，它們在大範圍上是無序的，但是有許多局部的有序區域（由Carla Fernández Ricow提供）

若藉由將基本組件從原子、分子，拓展到膠體，可進一步將結構的資料庫擴展。膠體—或更準確地說，是膠體顆粒—是相對較小的個體，其特徵尺寸為10到1000奈米，並分散在連續介質中（ref.1）。在我們的日常生活中，膠體系統的例子包括牛奶（水中的液態脂肪滴）、油漆（水中的固體顆粒），以及煙霧（空氣中的固體顆粒）。儘管比原子和典型的分子還要大許多，膠體顆粒也會受布朗運動（Brownian motion）—源於周圍介質的熱擾動—的影響（ref.2)。因此，它們可以被視為比原子和分子大的類似物體。

藉由它們連續和自主運動的推動，膠體可以像原子和分子一樣自行組裝成更大的超結構。介觀長度尺度的存在，賦予了這種超膠體（supracolloidal）材料獨特且可調節的光學及機械特性。例如，調整膠體填料顆粒的分佈，能有效增加原本強度較弱的有機材料—像是塑膠—的強度（ref.3）。在天然的超膠體材料包括蛋白石及某些蝴蝶的翅膀中，亞微米特徵的周期性排列會產生明亮的色彩。(請見圖1，以及《今日物理學》2015年六月，第32頁，由Ross McPhedran和Andrew Parker所寫的 ”Biomimetics: Lessons on optics from nature’s school”)

受膠體與原子或分子之間的類比以及製造具有新特性材料的前景所啟發，凝態物理學家和化學家開始專注於膠體顆粒的受控自行組裝。高度統一且明確的基本組件合成程序，為無數新的超結構開闢了道路。它們的範圍可從緊密排列的晶體，到低密度的有序陣列，以及有限大小的團簇（ref.4）(請見圖1)。

圖1、膠體長度尺度的微小結構元素賦予了蛋白石（左上）和某些蝴蝶（右上）鮮豔的色彩。（改編自H. Inan et al., Chem. Soc. Rev. 46, 366, 2017.）也能製備和組裝各種形狀的合成膠體基本組件。（改編自L. Rossi et al., Soft Matter 7, 4139, 2011 [左]，以及C. Fernández Rico et al., Adv. Mater. 31, 1807514, 2019 [右].）

從蛋白石到細胞

儘管在膠體自行組裝領域上取得的進展令人印象深刻，但所得材料的功能仍然相當有限。這種情況在與能夠動態重新配置、適應、放大信號、自我複製和自我修復的一般活細胞相比之下會變得更加明顯（請見圖2）。無法達到相同複雜性與功能性的原因是什麼？在粗顆化軟凝態物質的情況中，答案在熱力學和動力學之間的區別。

圖2、微管蛋白（tubulin）的聚合可由三磷酸鳥苷（guanosine triphosphate, GTP）來驅動，而形成微管（microtubules）。(a)只有當兩種形式的微管蛋白中的其中一種處於燃料活化狀態時(紅色圓形)，才會有基本二聚體聚合成纖維的情況發生。 當基本二聚體合併後，活化的基本單元會衰變為非活化態，此時GTP轉變為廢棄物二磷酸鳥苷（GDP）。這種轉變會破壞組裝的穩定性，除非在生長端上有活化的二聚體結合。（改編自 Nordicbiosite.com.） (b)這裡顯示的是細胞有絲分裂時，活動中微管的高解析度螢光顯微鏡影像。 (改編自K. Vukušić et al., Dev. Cell 43, 11, 2017, doi:10.1016/j.devcel.2017.09.010.）

膠體自行組裝的系統通常是根據熱力學的原理來設計，這意味著目標的超結構會存在於或接近於整個自由能變化上的最小值（請見圖3a）。在其初始的未組裝狀態時，系統處在能量高的狀態。系統的自由能隨著各個單顆粒的組裝而下降。根據熱力學上來看，結構形成的過程是自發性的。

因為最終的結構存在於自由能的最小值，所以它們是穩定的。穩定性的表現可以從，小的外部擾變無法引起的主要結構重組來說明。因此，從結構動力學的角度來看，典型的自行組裝膠體材料類似於岩石和寶石，而不是自我調節和適應的細胞。

幸運的是，生命現象中不只是熱力學平衡。事實上，所有生物都依賴於遠離熱力學基態（ground state）的自行組裝結構。為了發揮作用，這樣的系統需要與環境持續地進行能量或物質的淨交換。因此，它們被稱為是消耗性的（dissipative）（ref.5）。依賴輸入的能量，可以賦予材料與環境直接的相互作用，並導致了細胞運輸、生物運動和細胞增殖的迷人行為（ref.6）。

受這種功能上的豐富性所啟發，膠體科學界正進入相對未知的非平衡系統（out-of-equilibrium system）領域中探索。我們可以藉由多種策略將主動的行為附加在膠體上。例如，外部磁場或電場可用於誘導粒子的極化或磁化，從而觸發它們的組裝。這個場一旦被移走，讓結構組成的驅動力就消失了，組裝好的結構也會瓦解。透過對施加場的強度和方向，以及粒子對場的敏感性進行時間上的控制，可以獲得令人著迷的動態結構（ref.7）。

或者，可以利用主動推動自身的粒子(《今日物理學》2019年五月，第44頁，由Jeffrey Moran和Jonathan Posner所寫的 ”Microswimmers with no moving parts”)。那些所謂主動游泳者(active swimmer)是類似於火箭的膠體，它們能將自己推向某個特定的方向。主動游泳者表現出強烈的定向運動，這些運動遠高於平衡中的隨機布朗運動，並通常由周圍介質中的化學或熱梯度來決定。類似於鳥群和魚群，主動游泳者可以組裝成動態的超結構。

在本文中，我們將重點放在這一種不同的新穎非平衡膠體系統上。與生物界的例子類似，此類系統依靠分子燃料或光來驅動其組裝（ref.8）。

微管 (Microtubules)

為了說明燃料驅動系統的特點，我們以微管（microtubules）作為典型例子（ref.9）。微管是細胞骨架（cytoskeleton）的關鍵結構元素，且它們能隨著外界的觸發而重塑和改造自身。它們使細胞可以行使高度複雜的細胞行為。

管狀結構是由微管蛋白二聚體（tubulin dimer）來組裝形成。每個微管蛋白二聚體包含一個α微管蛋白和一個β微管蛋白，兩者都能與鳥苷三磷酸（guanosine triphosphate, GTP）結合。GTP是一種富含能量的燃料，可推動微管蛋白二聚體進入自行組裝的狀態（請見圖2）。當游離二聚體的α區段，與相鄰的且已在結構中的二聚體​的β區段結合時，便能形成管狀結構。但GTP與​β微管蛋白組成的複合物在結合到微管結構中時，對其化學穩定性來說是合適的。這是因為在結合時，GTP會轉化成能量較低的廢物—鳥苷二磷酸（guanosine diphosphate, GDP）。GDP與β微管蛋白組成的複合物會使管狀結構不穩定。但只要管狀結構的尾端具有較更高能量的GTP -β微管蛋白複合物結合，便可以保持結構完整性。相反地，如果在管狀結構活性尾端中的微管蛋白複合物不能保持活化的GTP形式，微管自發性和災難性的解體將會從尾端開始發生。

微管的分解本質上是由GTP（高能量燃料）轉化為GDP（低能量廢物）來驅動的。只有當添加的活化微管蛋白超過在尾端燃料到廢物的轉化，才能形成纖維。由於結構的形成是由微管蛋白的附著以及燃料到廢物的轉化兩者的動力學所控制，因此微管是非常動態的結構，能對局部燃料濃度的微小波動做出反應。

涉及調節微管行為的完整生物分子機制遠比此處概述的內容更為精細和複雜。儘管如此，人們還是可以理解用於合成膠體材料上，其動態特徵的基本要求。特別重要的是，需要在能源消耗網絡（energy-consuming networks）和組裝過程之間建立直接的關聯（ref.5）。

這樣的關聯描述如圖3b。在平衡的基態（equilibrium ground state）中，基本組件處於前驅物的狀態；在它們身上並沒有施加能將其排列成更高階結構的驅動力。然而，燃料的供應將基本組件提升到活化的狀態，使它們相互吸引。當基本組件被活化，它們便能進行組裝。

這與平衡狀態下自行組裝結構的關鍵對比差異是：活化後形成的組裝體所處在的能量狀態，會遠離整體反應中自由能的最低點。當燃料耗盡，顆粒個體失去活性的速率超越了活化的速率，非活化與非組裝的顆粒會累積。最終，組裝體會瓦解。對燃料的依賴確保了那些非平衡系統的組裝行為是受動力學而不是熱力學—在平衡組裝過程中的情況—所控制。

有趣的是，圖3b中所描繪燃料驅動的組裝循環是非常普遍的。儘管需要調整去活化反應的動力學來累積活化的基本組件，且這些反應不會自發地反向發生，但這並沒有機制上的限制。共價鍵的形成和斷裂—以及非共價鍵的相互作用或構形轉換（conformational switches）—可用於驅動組裝的進行。這種設計上的自由性為燃料驅動材料合成上的設計和製造提供了廣泛的機會。研究人員已經創造了一些令人印象深刻的非平衡材料，例如：凝膠（gels）、微膠粒（micelles）、乳狀液滴（emulsion droplets）、凝塊（coacervates）以及類細胞的囊泡（vesicles）（ref. 8,10）。

圖3、自我組裝（self-assembly）可以在 (a)平衡或不平衡的情況下發生。兩張圖表示了能量隨反應式座標 ξ 的變化情形。在平衡的自行組裝中，組裝好的結構會位在整個能量變化上的最小值，因此在熱力學上也會是最有利的情況。在消耗性的組裝中（dissipative assembly）， (b)前驅物階段的基本組件（灰色圓形）會在消耗燃料後被提升到它們的活化狀態（黃色四邊形）。一旦它們被活化，就會開始進行組裝。組裝好的結構並不存在於能量變化上的最小值，因此它們是在亞穩狀態（matastable）。當燃料耗盡，基本組件便無法維持活化的狀態。該結構會自發性地崩解並回到良好分散、平衡的前驅物狀態。（改編自參考文獻10、11）

儘管它們具有普遍性，但非平衡的設計規則很難轉移到膠體的領域上。從概念上來說沒有任何的變化。然而，人們需要巧妙地控製顆粒之間的相互作用來處理膠體尺寸的基本組件。

相互作用可由顆粒間位能U（interparticle potential）來表示，它是由排斥和吸引所提供的總和。幾乎總是存在的凡得瓦力（Van der Waals force）成為了U的吸引力部分¹。凡得瓦力是由顆粒與其周圍介質間不同的極化性所造成。

因為在顆粒體大小的尺度上，凡得瓦力作用在膠體顆粒上，相較於作用在其對應的分子上來說會明顯得多。為了防止膠體的強烈聚集，凡德瓦吸引力需要用更多的排斥力來補償。在傳統的膠體系統中，該目標的實現，是將顆粒表面以帶電部分或聚合物塗料來裝飾而達成的¹。其所產生的靜電或空間上的穩定性，確保了顆粒在其周圍介質中保持在良好分散的單一實體狀態。

為了將燃料反應的行為套用在膠體系統上，燃料需要暫時地將U從完全排斥轉變為稍微吸引。「稍微」在這裡很關鍵。當燃料產生的吸引力太強時，在活化狀態下形成的膠體鍵很可能會是不可逆的—這也是因為凡得瓦力在粒子間距離很短時會非常強。一旦被困在那些極小的位能中，膠體就永遠不會—或者至少在合理的時間尺度上—再分散。任何動態的、依賴於燃料的群聚特性都會消失。

在動力學上的不匹配是與基本組建的膠體尺寸有關的另一項困難。膠體物質比分子還要慢得多。當使用分子燃料來引導那些較慢的粒子組裝時，必須調整去活化反應的動力學來讓粒子保持足夠長的活化狀態，以便它們能在緩慢的擴散過程中相遇。如果粒子在相遇之前就失去活性，組裝便會被停止，且會浪費所有已經供應的能量。對於越來越大的粒子來說，湊合這些長度和時間尺度變得越來越具有挑戰性。出於這項原因，迄今為止所發表的大多數系統都是在相對較小的奈米粒子上（ref.11）。

由於這些額外的挑戰，第一代非平衡膠體材料僅在最近幾年才開始出現。對於所有系統設計的討論超出了本文的範圍。若您想了解更多資訊，請參閱我們在2020年發表的評論性文章（ref.11）。為了了解最先進的技術，我們重點介紹了兩種典型類別的系統。每種都以其燃料來源的性質作為其特色。

以小分子作為燃料

受微管和其他生物系統的直接啟發，一些合成膠體的系統是以分子燃料來推動。由我們（van Ravensteijn）其中一人、Wouter Hendriksen以及我們的合作夥伴所發表的一個例子，展示了使用分子燃料以驚人的方式短暫地影響膠體的相互作用（請見圖4a）（ref.12）。我們的設計使用了連接聚合物塗料的膠體。在平衡狀態下—即在高pH值下—外層的塗料部分帶有帶負電荷的基團（在圖中以藍色表示）。電荷在粒子之間產生靜電排斥，從而保護它們的穩定性。

但是在添加燃料時，帶負電荷的基團會轉變為中性、疏水的部分（在圖4a中以紅色表示）。因為顆粒分散在水性介質中，受燃料誘導的疏水特性會使它們不穩定，並導致這些顆粒聚集。該系統背後的技巧是：疏水基團僅在添加燃料的條件下是亞穩態的。隨著時間的推移，疏水基團會恢復為帶電荷的類似物。一旦累積了足夠的電荷，聚集的結構就會在靜電排斥的作用下自行瓦解。加入新的燃料能讓組裝週期重新開始。

圖4、膠體組裝可透過分子燃料或是光來維持。(a)在分子的情況下，平衡狀態（藍色） 對應於帶電、穩定，且是分解狀態的基本組件。燃料將帶電的部分轉變成疏水性的中性基團(紅色)，並將它們活化。一旦被活化，顆粒就會聚集。疏水性的基團在反應混合物中是不穩定的，會緩慢地變回其帶負電的形式。在顆粒上累積的電荷會讓聚集的團塊解體。（改編自參考文獻12）(b)在光驅動的情況下，熱平衡（紅色）對應於處在非極性反式結構，並裝飾於奈米金粒子表面的偶氮苯（azobenzene）基團。在光照下，偶氮苯基團轉變為亞穩態(metastable)的順式結構(藍色)。 這種結構的偶氮苯基團具有顯著的偶極矩，使分子具有極性。一旦它們處於極性的狀態並分散於非極性的介質中，這些粒子就會聚集起來。在沒有光照時，偶氮苯會緩慢地恢復為反式結構，便消除了組裝的驅動力。（改編自參考文獻13）

由於對系統有毒的廢物會累積，該循環不能無限地重複。如果這些廢物依然存在，它們會透過溶解顆粒、切斷與燃料無關的鍵結等方式，對反應網絡造成不可逆轉的損害。然而，一旦廢物被清除，新的燃料驅動循環就能再次啟動。廢物的去除可以透過連續流動、利用透膜反應器（membrane reactors），或使用能自主從系統排出廢物—藉由蒸發或沉澱的方式—的燃料來達成（ref.13）。在生物上透過使用分子幫浦的優雅調節機制，以及幾個反應循環的串聯，解決了廢物累積的問題。在合成世界中，類似的策略可以產生具有更長壽命的材料。

在慕尼黑工業大學（Technical University of Munich）的Job Boekhoven和他的同事開發了一個堅固的燃料驅動系統。其中，前驅物粒子在其表面帶有帶電基團，可以透過化學燃料的添加暫時中和（ref.14）。作者展示，隨著時間根據燃料濃度和燃料供應的方式，可以讓系統達到不同的組裝狀態。最終系統的特性取決於燃料的加工歷程，這是在非平衡材料中所獨有的。

以光作為燃料

另一種替代策略是利用光來提供膠體系統所消耗的能量。與分子燃料相比，使用光—或更準確地說，是光子（photon）—可以避免廢物的累積，進而增加可以執行的組裝循環次數。

典型的光驅動系統依賴於固定在粒子表面的穩定配位子（ligands）上的光誘導結構變化（ref.16）。由偶氮苯（azobenzene）使粒子進行組裝的範例如圖4b所示。在熱平衡中，偶氮苯基團以其反式的結構存在（在圖中以紅色表示）。在該結構中的配位子是疏水性的，且能穩定分散在有機溶劑中的顆粒。但是當膠體受紫外線照射時，偶氮苯會被迫進入其亞穩態的順式結構（在圖中以藍色表示）。一旦處於這種結構，在偶氮苯分子中便會產生一個大的偶極矩（dipole moment），這明顯地增加了它們的極性。分散在剩餘的非極性溶劑中，驅使偶極粒子聚集起來。由紫外光輸入系統的能量隨著配位子熱鬆弛（thermally relax）到反式結構而緩慢消散。最終，聚集的結構會瓦解。

以光作為燃料還能提供一項調節組裝位置的方法，因為能以高空間解析度來給予光的照射。Bartosz Grzybowski和他的同事巧妙地說明了這項優勢，他們製作了由奈米金粒子組成的自抹除圖像（self-erasing images）（ ref.15）。透過將圖像投射到具有偶氮苯修飾的粒子基質上，研究人員可以只在照明的區域誘導組裝。因為奈米粒子在性質上就如同電漿子，所以它們的顏色在組裝時會發生變化。又因為顏色的變化僅限於受照明的區域，因此可以創造圖像。在光的支持下，組裝狀態是亞穩態的；圖像會慢慢褪色並自行消失。

邁入未來

兩個系統範例—以分子為燃料和以光為燃料—的變體正被快速地開發，並說明了這些泛用方法的穩健性和多功能性。在特別有趣的這些系統中，其粒子並不積極參與反應循環，但會反應在背後運行的網絡。雖然這些反應循環也由小分子或是可受光切換的化合物來推動，但這種策略不須透過那些通常是複雜的合成過程來修飾膠體粒子的表面。那些反應循環可以可逆地改變消耗品的pH值或表面張力只是其中的兩個例子（ref.11）。此外，將生物分子燃料循環以及可調節的酵素或DNA誘導的反應網絡，與人造膠體相結合的混合生物合成系統，是一個有前途的未來方向（ref.16）。

掌握了這些合成原理和設計規則，現在由我們和該領域的其他人開始探索消耗性膠體系統（dissipative colloidal systems）真正能做些什麼。燃料的使用是一條從膠體岩石過渡到膠體細胞的潛在途徑。類似於硬膠體粒子在闡明原子結晶背後的物理原理所起的作用，膠體系統可能會詮釋生物分子在非平衡過程的基本原理。更重要的是，藉由控制反應動力學和粒子組裝之間的相互作用，研究人員可以獲得不僅具有膠體特性，而且是類生命的材料。想像一下膠體結構在受損時會自我修復，或者在燃料濃度的周期性振盪時會表現出動態振盪的行為。

最近提出了在排斥和吸引狀態之間的切換，作為無法在直接的平衡自行組裝中產生膠體結構的新途徑（ref.17）。要達到該控制狀態，將需要調節粒子在組裝狀態下的相對排列方向，並找到能完美匹配膠體動力學的燃料反應網絡。

鑒於該領域的快速發展，我們相信這些障礙很快就會被克服，且我們將見證在膠體科學上的一場動態革命。

參考資料

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譯者註釋

註一: 超結構（superstructures）又稱上層結構，意指在現有結構的基礎上擴展的結構體。

作者

Bas van Ravensteijn是荷蘭烏特勒支大學（Utrecht University）烏得勒支藥物科學研究所（Utrecht Institute for Pharmaceutical Sciences）藥劑學系的助理教授。Ilja Voets是在化學工程及化學系（chemical engineering and chemistry）中，自組織軟物質（Self-Organizing Soft Matter）實驗室的負責人，也是荷蘭埃因霍溫理工大學 (Eindhoven University of Technology）複雜分子系統研究所（Institute for Complex Molecular Systems）的成員。

譯者

宋育徵

本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, 2021雜誌內 (Physics Today 74, 12, 38 (2021); https://doi.org/10.1063/PT.3.4901)。原文作者：Alex Lopatka。中文編譯：宋育徴，國立中央大學物理系助理。

Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Alex Lopatka and published in (Physics Today 74, 12, 38 (2021); https://doi.org/10.1063/PT.3.4901). The article in Mandarin is translated and edited by Y.C.Sung , working at the Department of Physics, National Central University.