“我认为这个世界的发展并不是通过砖瓦石块的堆积，而是通过方法与原理的积累：知道怎么去烧这个砖，怎么炼铁，怎么调控各种材料的形貌、结构，理解材料之间的承重…… 这些知识才真正构成了我们对世界的掌控和改造。”
这是今年刚刚全职加入西湖大学理学院的陈虹宇教授的世界观与学术思想，他表示自己的学术兴趣在于控制纳米颗粒的形貌与结构，找到并理解这个调控的 “旋钮”，以期在微观世界实现 “指哪打哪” 的合成控制力。这将为纳米科技从简单结构的应用（如锅碗刀剑）转向精密协同的应用（如轴承、钟表）奠定基础的设计、合成能力。
“很多人关注新结构是因为它们有用，比如鲁班的榫卯结构，但往往更重要的是其背后的方法，比如刨、凿、锯等基础方法，以及利用丝丝合扣的嵌合来承重的基本原理。有机化学也是一样：分子的 ‘集邮’ 并不会带来什么，真正有价值的，是其背后的化学反应和路径选择，它们的积累才真正造就了现代的制药产业。”
所以，他的梦想是在纳米尺度实现有机化学那样的“全合成”：致力于推进纳米合成的控制力研究，发展新的合成方法（类似有机反应），发现其背后的机理，并应用这些工具拓展新颖的纳米结构，探索新型应用。
图 | 陈虹宇教授 （来源：陈虹宇）提出合成和操纵纳米级液滴的一般策略，可用于制造纳米反应器和药物载体
“纳米级” 是一个长度概念，通常被理解为 1 到 100 纳米的范围，纳米颗粒就是一种人工制造的，100 纳米以下的微型颗粒。纳米颗粒比宏观物质小很多，比原子、分子大很多，在合成方法上需要特殊的手段，有巨大的发展空间。
下图展示了纳米颗粒的主要形式和大小对比，可以看到纳米颗粒与各种胞内小分子物质体量差不多，因此能够与细胞器产生相互作用，比如通过细胞膜渗透到胞内，沿神经细胞突触、血管和淋巴管传递。
图| 纳米颗粒量级比较示意图 （来源：Research Gate）
脂质体纳米颗粒（lipid nanoparticles）是目前医学上应用最多的纳米颗粒载体。其基本结构是磷脂外壳包围的一个小液滴，可以作为储存药物的空间。类似的无机物构成的空心纳米结构也有较多研究，大家的兴趣基本上都是用新材料、新结构去装载药物，证明其应用上的可行性（proof of concept）。
而陈虹宇团队关注的重点却有所不同，他们希望从合成方法上解决纳米液滴均匀性的问题。
相关构建方法题为《液体纳米颗粒：操纵纳米级液滴的成核与生长》（Liquid Nanoparticles: Manipulating the Nucleation and Growth of Nanoscale Droplets），于 2021 年发表于化学类顶刊 Angewandte Chemie International Edition（IF=15.34）上[1]。
在固体纳米颗粒的合成中，诸如碾磨的方法被认为是自上而下的，将大颗粒破碎成小颗粒的方法。在液体纳米颗粒的获得过程中也可采用自上而下的方法，比如将水和油混合搅拌就能得到乳液。
“颗粒或液滴的体积跟直径的三次方成正比，除非液滴非常均匀，一般来说绝大部分材料会浪费在超大的液滴上。”比如在标准对数正态分布中，最大的 10% 的颗粒占总质量的 95% 以上。这就是为什么均匀性是合成纳米颗粒或液滴的主要关注点。
在这篇论文里，陈虹宇团队借鉴固体纳米颗粒的成核与生长理论，开发了一种溶质诱导相分离（solute-inducedphase separation ，SIPS）的方法，这种自下而上的方法，“从无到有”地生成液滴，能对液滴的形状、直径和尺寸分布进行控制，使均匀纳米液滴的制造成为可能。
众所周知，乙醇与水是无限混溶的。陈虹宇团队将氢氧化钠的水溶液加入柠檬酸的乙醇溶液，并加入增稠剂减缓液滴的融合。由此产生的盐（柠檬酸钠）与乙醇争夺水分，而获胜的盐水与乙醇不相溶，引发了相分离，以纳米尺度盐滴的形式出现，这就是所谓的 SIPS 方法。
通过 Stöber 反应可以在这些液体纳米颗粒表面包裹一层起阻隔钝化作用的氧化硅外壳。透射电子显微镜与扫描电子显微镜显示这些空心氧化硅纳米球的直径低于 100 纳米，并表现出相当程度的均匀性。
图 | 自上而下合成法与自下而上纳米液滴合成法的示意图 （来源：相关论文）这个独特的合成路径具有很大的潜力，可以借用固体纳米粒子合成的成熟概念，如爆发成核、种子生长和共沉淀，来扩展操纵的手段，也适用各种类型的盐或糖来诱发相分离。液体纳米颗粒也可以作为一个通用的合成平台，用于制造纳米反应器、药物载体和其他具有各种外壳材料的空心结构。
“这篇文章最大的亮点不是那些具体的纳米液滴或空心结构，这些应用还有很长的路要走。真正重要的是这个特殊路径可以实现微小液滴的高度均匀性，而这是传统方法无法达成的，却非常重要的一个结构特点。”
陈虹宇说，“我所说的机理，不是神奇的公式或放之四海而皆准的原理，而是明白具体发生了什么，找到对应的‘旋钮’，从而实现理性的调控。”
作为合成化学家的一大任务是发现纳米世界的一般规律，做出各种操控的 “工具”
谈到自己的学术兴趣与愿景，陈虹宇用几个生动的例子做出了解释。
远古时代人们对一个工具，一种材料的理解，只能靠漫长、无意识的积累。唯有好奇心的驱动，才能在这无序中提供一些方向性的指引，逐渐积累对宏观世界的 “控制力”。比如从玩泥巴到陶器、瓷器，从柔软神奇的金属，到青铜器、铁器，从闪烁的玻璃球到玻璃器皿，往往需要几千年，才能实现从无用到有用的跨越。
“我们可以把这些 ‘无用’ 的探索，称为合成方法学研究；而突破之后‘有用’的研究，称为应用研发。”现代科技的高速发展，就在于我们愿意投入大量的人力物力，去做 “无用” 的探索。而对基础规律的摸索总结，继而通过理性设计、合成，更能节省大量的研发时间。
“当前纳米领域的应用，比如荧光的量子点、导电的纳米线、石墨烯，都基于相对简单的结构，而我们想象中的纳米科技，是具有精巧复杂结构的纳米机器人。没有 ‘无用’ 的合成方法的发展，我们将无法抵达彼岸，” 陈虹宇说，“所以我不介意做傻事，在合成方法和原理上耕耘，从 2006 年到现在，已经有 15 年了。”
这种另辟蹊径的例子有很多，比如为了提高纳米载体负载药物的效率，即单位质量载体中的药物含量（好比海绵中红药水的吸附量），陈虹宇团队并不急于做应用展示，而是试图从合成方法上探索：他们把各种药物做成纳米的晶体，在其表面沉积不同厚度的多孔氧化硅，从而实现普适性的合成方法，创记录的负载效率，以及缓释的效果。“我并不担心这个纳米结构没用，我相信这种用实心的晶体而不是溶液的包覆来提升负载效率的合成策略，总有一天会有用的（Direct Silica Coating of Drug Crystals for Ultra-high Loading）[2]。”
为了研究液体的空化效应，比如超声对人体组织的破坏，或者螺旋桨表面空泡造成的物理损坏，陈虹宇课题组把超声对银纳米线的冲击作为模型体系，研究空泡湮灭造成的冲击波对纳米线的弯折，从而通过大量弯折的统计，反推空化效应的基础规律（Ultrasonic Bending of Silver Nanowires）[3]。
最近的一个例子是陈虹宇团队诱发超细的金纳米线的扭转，使其自发编织成具有规则螺旋图案的纳米绳。“纳米线又小又多，一根根去操作是不现实的，可以说我们找到了化学操控的 ‘旋钮’，利用纳米线自身的扭转就能实现对线束的编织。”编织是日常生活中常见的技能，但在纳米尺度上却无先例，已知的纳米螺旋都是直接生长或组装出来的，不涉及机械的相互作用。因此陈虹宇的新方法，提供了纳米尺度 “遥控扭转” 的可能，对于机械作用力的互动以及机械能的传输，具有一定的启发性，也为手性组装和未来的智能纳米设备打开了大门（Braiding Ultrathin Au Nanowires into Ropes）[4]。
图 | 纳米线自发编织成绳索 （来源：相关论文）带着合成方法学的视角，在生物界寻找有趣的问题
谈到今后研究的方向，陈虹宇说，用纳米合成构建精巧复杂结构当然仍是将来科研的主轴，“但齿轮做的多了，自然就想拼装出一些相互协同的器件出来。” 他认为生物与纳米的互动应该更具潜力。
比如生命起源的问题中非常关键的一环是细胞膜的产生：细胞膜把生命所需的各种化学反应与环境隔离开来，包括遗传、转录、新陈代谢等，没有细胞膜，就没有生命进行的场所。但细胞膜的稳定性并没有那么简单，普通的表面活性剂分子形成的组合体（胶束）是转瞬即逝的，磷脂双分子层结构需要复杂到一定程度才能出现。
合成细胞膜所需的磷脂分子对原始的细胞来说是一个大工程，需要相对富集的催化剂，需要一个屏障来抵制稀释，很难想象没有细胞膜的个体，可以实现这么复杂的功能。这就是一个生命起源的 “鸡生蛋蛋生鸡” 的问题。“从初步的实验中，我们相信存在一些简单的化学方法，可以从溶液中富集核酸、蛋白质等高分子，形成多孔的壳，把高分子关起来，并同时允许小分子原料的输运。”
陈虹宇说：“虽然生命起源的问题复杂难解，但我们可以从中抽象出一个一个的小问题，通过我们擅长的纳米合成方法的探索，来进行迂回的研究。我们不可能回到几十亿年前，一两个假说可能也无济于事，但这种可实现可验证的假说的积累，总有一天会让我们得以窥见真实。”
另一个例子是他们想做的纳米螺旋桨。陈虹宇课题组在 2013 年的时候，把磁性纳米颗粒组装成链，然后包覆氧化硅，做出了世界上最小的纳米搅拌子，用普通的磁搅拌台，就能促成这种小磁链在微小溶液中的旋转、搅拌（Stirring in Suspension: Nanometer-sized Magnetic Stirbars）[5]。 “我们下一步的计划，是在这个搅拌子上附加各种纳米结构，来实现特殊的功能。如果只是简单的 1+1=2，把两个已知的功能复合起来，那不好玩。更有意思的是利用我们在合成控制力上的优势，证明新结构或新组合具有全新的能力，比如螺旋桨的推进力，或者切割能力，这种合成主导的探索会比较好玩。”
“当前纳米领域的一个问题，是简单的结构很有用，比如荧光的量子点、导电的纳米线，大家很容易忽视 ‘无用’ 方向上的进展，潜意识里会拿应用的标准去衡量其重要性。从历史上看，要想达成从简单的锅碗刀剑到复合的轴承钟表的跨越，最重要的可能不是拓展前者的应用场景，而应该追求更精准的加工工具，更巧妙的协同组合，突破极限的材料性能，以及对背后原理的理解。哪怕这些能力短期内用不上，我们要相信，这些知识的积累才是世界发展的基石。”
“我不是很喜欢 ‘好奇心驱动’ 这个说法，因为很难衡量我的好奇心比你更有价值，也很难说明白为什么要拿纳税人的钱去满足个人的好奇心。我更主张 ‘控制力驱动’ 的科学研究，基本上所有的科研都是为了对世界有更强的控制力。我的意思是——我想做的纳米全合成，不光是因为它好玩，而是因为纳米世界的控制力，是通往下一代纳米科技的钥匙。” 陈虹宇表示。
