构造证明法（意外带来的Science）

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溶液越稀释就越稀，呃，好吧，这听上去就是一句废话，没学过化学的人都知道的道理。水凝胶放在水里，逐渐会被水稀释从而变成液体；如果继续加水稀释，溶液只能越来越稀。

如果还想恢复凝胶状态怎么办？学过化学的人都知道，要想法提高浓度。然而，近日发表在Science 杂志上的一篇论文，却描述了另外一种从未见诸报道的现象：水凝胶加水稀释，先变成溶液，然而进一步稀释后，溶液又变成了水凝胶。

稀释诱导凝胶→溶胶→凝胶→溶胶的转变过程示意图。图片来源：埃因霍温科技大学 [1]

该工作的思路，来自于荷兰埃因霍温科技大学E. W. Meijer（点击查看介绍）课题组2019年10月的一次意外发现，他们发现两种成分的液体混合物在稀释后居然变成了水凝胶 [1]。而且，这种转变还是完全可逆的，即如果溶质的浓度等比例增加，水凝胶也会先变成溶液，然后再变回凝胶。不过，突如其来的疫情以及随之而来的实验室关闭，打乱了研究者的节奏，直到2020年夏天实验室恢复开放后，他们才重新开始设计实验，验证猜想，并完成了对这一特殊现象的机理解释。

Meijer教授。图片来源：埃因霍温科技大学 [1]

多组分超分子系统可以通过诱导实现自组装，经常被用来模拟生物体和自然界的很多过程。单体均苯三甲酰胺衍生物（BTA-EG4）在水中发生超分子聚合形成微摩尔浓度的一维聚集体，并通过亲水性四甘醇基团而获得水溶性。浓度高于8 mM时，形成动态水凝胶。研究者发现，当均苯三甲酰胺衍生物（BTA-EG4）和阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）按照一定比例溶解在水中时，CTAB的疏水链段会插入BTA-EG4聚合物中，破坏水凝胶的三维网络结构，形成小尺寸共组装聚集体。由于宏观表现为凝胶→溶胶→凝胶→溶胶的转变，于是研究者猜想，继续加水稀释后，上述共组装纳米聚集体会被破坏，CTAB从体系中释放出来，BTA-EG4在氢键和疏水作用的驱动下，重新形成三维超分子聚合物网络水凝胶。此后，如果继续加水稀释，水凝胶解体，再次恢复为溶胶。

水中稀释诱导的凝胶化。图片来源：Science

为了解释这种相变重现（reentrant phase transition, RPT）的现象，研究者测试了BTA-EG4和CTAB在不同浓度和比例下的微观结构。当加入的CTAB超过BTA-EG4的3倍时，低温TEM显示三维网络结构逐渐消失，转变为纳米尺寸的聚集体。核磁共振谱中可以明显地观察到共组装聚集体的峰，说明表面活性剂已插入聚合物中，改变了微观形貌。紫外-可见吸收光谱也证实了共组装聚集体的形成。而稀释后，共组装聚集体的核磁共振峰逐渐减弱，紫外-可见吸收光谱中BTA-EG4纤维的特征峰也逐渐恢复，低温TEM照片中又出现了三维网络结构，证明了研究者关于RPT现象的机理猜想。

稀释诱导机理验证。图片来源：Science

其实，RPT现象具有一定的普适性，其他表面活性剂也可以诱发溶胶-凝胶相变。例如单辛基聚乙二醇（OPEG）显示出与CTAB相似的行为，可以与BTA-EG4相互作用，随着持续的稀释过程，不透明的凝胶先变成溶液，再变成透明的凝胶，最后恢复为溶液。

该过程还可以向三组分体系拓展，例如脲基嘧啶酮单元（UPy-EG11）也可以与CTAB相互作用形成聚合体，然而CTAB的插入，不会显著破坏超分子聚合物。因此，浓度较高时，UPy-EG11由于多重氢键作用，优先自组装形成纤维状三维网络；加水稀释后，三维网络浓度降低，凝胶转变为溶液。继续稀释到一定浓度时，触发BTA-EG4超分子聚合，与UPy-EG11纤维交织成新的三维网络水凝胶；继续稀释，三维网络浓度降低，实现凝胶→溶胶→凝胶→溶胶的连续转变。

双组分和三组分系统的RPT现象。图片来源：Science

最后，研究者利用全内反射荧光成像技术（TIRFM）对溶液稀释过程进行实时跟踪成像，原位观察到稀释诱导的相分离、超分子纤维的形成以及对液滴的拉动。此外，BTA-EG4体系具有良好的生物相容性，在磷酸盐缓冲溶液中，同样可以观察到RPT现象，为未来进一步在生物领域应用以及理解生物学中的现象提供了依据。

原位观察稀释后纤维的形成过程。图片来源：Science

当实验室成员最开始报告这一现象时，“老实说，我并没有马上相信。但作为一个团队领导者，当年轻的研究人员开始他们感兴趣的事情，而自己还没有看到时，我必须支持和信任他们”，Meijer教授说，“由于这对我们来说是一个新领域，我的直觉告诉我要积极理解，这也是研究的有趣之处。通常，你提前设计的东西很有可能行不通，但你可以偶然发现一些无法预见的东西。这就是为什么我从一开始就支持他们建立和发展他们的研究”。[1]

Dilution-induced gel-sol-gel-sol transitions by competitive supramolecular pathways in water

Lu Su, Jesús Mosquera, Mathijs F. J. Mabesoone, Sandra M. C. Schoenmakers, Cyprien Muller, Marle E. J. Vleugels, Shikha Dhiman, Stefan Wijker, Anja R. A. Palmans, E. W. Meijer

Science, 2022, 377, 213-218. DOI: 10.1126/science.abn3438

导师介绍

E. W. Meijer

https://www.x-mol.com/university/faculty/4988

参考文献：

[1] Chemists find a contrary effect: how diluting with water makes a solution firm

https://www.tue.nl/en/news-and-events/news-overview/07-07-2022-chemists-find-a-contrary-effect-how-diluting-with-water-makes-a-solution-firm/

（本文由小希供稿）