清華航院徐志平研究組揭示細(xì)胞與石墨烯界面的能量耦合與輸運(yùn)機(jī)制
清華新聞網(wǎng)9月27日電 9月23日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系、微納米力學(xué)中心徐志平研究組題為“界面水分子層促進(jìn)生物納米界面熱耗散”（Intercalated Water Layers Promote Thermal Dissipation at Bio-Nano Interfaces）的論文在《自然－通訊》（Nature Communications）上在線發(fā)表 。論文研究指出，在由細(xì)胞與石墨烯構(gòu)成的生物－納米界面處水分子具有層狀的結(jié)構(gòu)。厚度為1至2納米的界面層中水分子的擴(kuò)散系數(shù)較體相水低，對其能量與信息交換有一定影響，可有效降低細(xì)胞與石墨烯之間的接觸熱阻。這一發(fā)現(xiàn)有助于在生物納米器件中實(shí)現(xiàn)熱量的有效耗散，以及對細(xì)胞進(jìn)行熱療、熱操控。
利用功能納米材料在器件細(xì)胞之間構(gòu)建界面，并由此獲取細(xì)胞生理行為的信息，或是通過力、電磁、熱等方式對生物系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效刺激與調(diào)控是生物納米技術(shù)的重要目標(biāo)。此類器件在執(zhí)行功能時會產(chǎn)生熱量。由于納米材料維度低、與外界接觸面積小，如果熱量不能通過細(xì)胞－石墨烯界面有效耗散到環(huán)境中，將會對器件的穩(wěn)定工作和細(xì)胞的生理行為產(chǎn)生不可控的影響。另一方面，通過納米器件與細(xì)胞的耦合也可對生物體系進(jìn)行多種方式的干預(yù)與調(diào)控。然而，到目前為止人們對于生物－納米復(fù)合體系，特別是其界面的結(jié)構(gòu)與能量耦合、輸運(yùn)機(jī)制仍然理解有限。
圖1 生物納米器件中的細(xì)胞膜－石墨烯界面。
徐志平研究組通過分子模擬技術(shù)研究了磷脂雙層膜與石墨烯界面處水層的分子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其厚度低于2納米時，具有顯著的層狀結(jié)構(gòu)。這一顯著區(qū)別于體相水的結(jié)構(gòu)特征使其自擴(kuò)散系數(shù)隨著水層厚度的減少而顯著降低，這將對細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)與信息交換和細(xì)胞與納米器件之間的物理、化學(xué)耦合有重要影響。在前期的系列研究工作中，該研究組的理論與實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯包裹的存在可以保護(hù)外力作用下的細(xì)胞，并提供一個封閉的物理、化學(xué)環(huán)境，有利于對細(xì)胞行為的研究和調(diào)控。本工作中的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，水分子界面層會有效提高界面熱導(dǎo)率，從而對生物納米界面進(jìn)行熱調(diào)控。分子模擬結(jié)果還表明，磷脂分子層與石墨烯之間的界面熱阻大小與通常的固體－高分子界面熱阻相當(dāng)，而界面熱輸運(yùn)機(jī)制屬于擴(kuò)散型，因而可以通過建立熱阻網(wǎng)絡(luò)模型對界面熱耗散行為和熱輸運(yùn)過程進(jìn)行預(yù)測，應(yīng)用于生物納米器件的設(shè)計。
圖2 細(xì)胞膜－石墨烯分子模型及其界面處的層狀水結(jié)構(gòu)。
該論文通訊作者為徐志平、美國麻省理工學(xué)院的秦釗博士和馬庫斯·布勒（Markus J. Buehler）教授，第一作者為清華大學(xué)航院微納米力學(xué)中心2012級博士生王艷磊。徐志平博士于2010年起開始在清華大學(xué)航天航空學(xué)院、微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心工作，現(xiàn)任工程力學(xué)系教授；研究興趣為微納米尺度下的能量傳遞、轉(zhuǎn)換過程，復(fù)雜材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能關(guān)聯(lián)等物理力學(xué)問題，以及這些基礎(chǔ)研究在環(huán)境能源、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。
本研究工作受到國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃《可延展柔性無機(jī)光子/電子集成器件的基礎(chǔ)研究》和國家自然科學(xué)基金委員會資助，其中的計算模擬在清華大學(xué)高性能計算中心“探索100”平臺上完成。
論文鏈接：
http://dx.doi.org/10.1038/ncomms12854
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b03214
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095034915000926
供稿：航天航空學(xué)院 編輯：李華山
