超粒子（Supraparticle）是指以一种或多种纳米粒子作为构筑基元，通过自组装得到具有多样化形貌、尺寸和结构的聚集体结构。超粒子不仅维持了纳米粒子构筑基元的基本性质，同时自组装过程使得其具有更大的比表面积和孔隙率等特点，在催化、传递、光学和传感领域展现出广泛的应用潜力和显著优势。在众多超粒子制备方法中，利用在超疏液表面上呈球形形貌的液滴为限域模板，通过简单的蒸发过程即可驱动内部粒子组装而形成超粒子；为超粒子构筑提供了绿色、便捷的构筑策略。通过调控粒子间相互作用、粒子组成和外场等因素可对超粒子形貌及结构进行调节，进而制备得到具有甜甜圈形、船形、锥形、桶形、以及双塔形等不同形貌的超粒子。目前关于超粒子组装方面的研究工作大都集中在探究超粒子的形成过程以及对超粒子形貌结构的调节等方面，针对超粒子结构稳定性问题的讨论相对较少。作为构筑基元组装结构，由于构筑基元之间作用力较弱，组装结构极易发生破裂，因此，迫切需要探索有效的构筑策略来提升超粒子组装体的稳定性，并增强其机械强度，这是当前超粒子研究领域亟待解决的重大挑战。
近日，大连理工大学化学学院刘文东副教授、陶胜洋教授等在ACS Nano上报道了利用超双疏表面上液滴蒸发构建水凝胶辅助的机械性能稳定超粒子的研究。研究团队利用在超双疏表面上蒸发的球形液滴为限域模板，通过水凝胶与表面带有亲水基团的纳米粒子间的相互作用将构筑基元融入到水凝胶网络当中，制备得到机械性能稳定的超粒子（图1）。水凝胶所富含的羧基和羟基基团可与基元粒子表面基团形成氢键，显著增强了基元纳米粒子间的相互作用，较之于纳米粒子自行组装而成的超粒子，水凝胶辅助稳定超粒子的机械稳定性提升达60倍（图2）。该构筑策略具备很好的普适性，通过改变构筑基元和凝胶骨架材料，可构筑得到机械性能稳定的一元、二元、三元超粒子材料，实现将不同功能在单一超粒子中的有效集成（图3）。利用该策略制备的载酶超粒子在级联反应中表现出优异的酶促反应能力（图4），进一步拓展了超粒子材料在复杂级联反应中应用，在葡萄糖检测及生物催化方面具有重要应用前景。
2024年12月19日，该工作以“Hydrogel-Assisted Robust Supraparticles Evolved from Droplet Evaporation”为题发表在《ACS Nano》上（ACS Nano, 2024, ASAP, DOI: 10.1021/acsnano.4c15025）。大连理工大学硕士研究生王晓静为文章的第一作者，刘文东副教授和陶胜洋教授为通讯作者。该研究得到自然科学基金青年科学基金项目、辽宁省自然科学基金计划项目面上项目中央高校基本科研业务费专项资金的支持。
图1.液滴蒸发介导凝胶辅助稳定超粒子的构筑
图2. 超粒子机械稳定性调控
图3.一元、二元以及三元超粒子材料
图4.载酶超粒子及级联反应
该工作是团队近期关于液滴蒸发介导超粒子构筑相关研究的最新进展之一。传统的超粒子制备方法往往涉及复杂的化学过程和大量的溶剂使用，这不仅增加了成本，还对环境造成了负担。因此，寻找一种更为环保且高效的制造方法成为了当前研究的热点。在过去二十年间，超疏水材料的发展为超粒子材料构建带来了新的研究策略。水滴在超疏水表面保持近乎完美的球形形貌，为液滴内部物质提供了限域空间，通过调控蒸发过程即可诱导内部粒子可控组装形成超粒子材料；该种策略能够有效的减少或避免使用溶剂或过程液体，实现超粒子的绿色制备，推进纳米材料以及超粒子组装材料的开发及利用。近几年来，团队成员在超双疏表面液滴蒸发介导超粒子构筑方面开展了相关研究，通过有机-无机二元胶体液滴可控蒸发过程，辅以煅烧牺牲超粒子中有机相策略构建了孔隙率可调的大孔隙TiO2超粒子结构，超粒子最大孔隙率达到92%，显著提升TiO2超粒子的光催化性能，为制备特定功能的超粒子材料提供了新的方法(ACS Nano, 2019, 13, 13949)，并探究了二元胶体液滴蒸发中的分层行为以及胶体粒子间相互作用对超粒子组装体结构的形貌及结构的影响，为更好地理解喷雾干燥过程以及构筑具备复杂结构及功能集成材料并将其应用于染料催化降解、药物递送以及生物组织工程方面奠定了理论与技术基础(ACS Nano, 2019, 13, 4972；J. Colloid Interface Sci. 2022, 607, 1661；Adv. Colloid Interface Sci. 2024, 334, 103305.)。
通讯作者信息：
陶胜洋 大连理工大学
陶胜洋，大连理工大学化学学院院长，教育部“长江学者奖励计划”青年学者，中国化工学会化学工程、微化工技术、能源化工智能制造等专业委员会委员、中国化学会胶体与界面化学专业委员会青委会副主任、辽宁省石油石化学会副理事长、中国化学会《化学通讯》编委。主要从事微流体、连续化反应、智能化学等化学化工与信息技术交叉的科学研究，在国际知名期刊发表学术论文100多篇，主编、参编各类教材与学术著作七部，主持国家自然科学基金、国家重点领域项目课题等科研项目20余项。
课题组主页:
https://faculty.dlut.edu.cn/taosy/zh_CN/index.htm
刘文东 大连理工大学
刘文东，大连理工大学副教授。先后师从吉林大学杨柏教授，德国马克斯-普朗克聚合物研究所Hans-Jürgen Butt教授，主要研究方向为界面结构介导的可控粘附与组装。迄今在ACS Nano，Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater., Nano Res.等学术期刊共发表论文40余篇，参与撰写英文专著4章节，主持各类科研项目4项；同时，受邀为ACS Nano，Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., J. Colloid Interface Sci., ACS Appl. Nano Mater., J. Phys. CHem., Adv. Optical Mater., Adv. Mater. Interfaces等期刊审稿。
课题组主页:
https://www.x-mol.com/groups/wendong-liu
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c15025
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