聚合物网络凝胶通常表现出局部缺陷和交联密度的空间异质性，这会对其微观弹性产生不同影响。理解这些异质结构的形成和分布对指导凝胶材料在生物学、医学和分离科学等领域中的应用具有重要意义。此前虽已有利用基于单颗粒示踪(Single Particle Tracking, SPT)的微流变技术对凝胶网络的局部特征进行表征分析的研究报道，但通常示踪仅限于球形微/纳米颗粒的平移运动，其矛盾在于：如果粒子具有平移运动，通过均方位移(Mean-squared Displacement, MSD)获得的信息必然伴随空间分辨率的损失；如果粒子原地不动，则没有信息输出。

  对此，清华大学何彦教授团队和青岛大学王宗花教授团队合作提出一种以金纳米棒(AuNRs)作为旋转微流变探针的聚丙烯酰胺(PAAm)时空异质性凝胶化过程的研究方法。透过双通道偏振暗场显微镜(DPDFM)观察发现，在凝胶化的初始阶段，AuNRs呈布朗运动状态；随着反应进行，AuNRs运动逐渐受限至几乎失去平移运动，但仍保持旋转运动；反应进一步进行，AuNRs的旋转状态从三维空间内的自由旋转(S3)逐渐变为趋于二维平面内的受限旋转(S2)，并最终完全停止(S1)。其中S2状态的出现表明在PAAm异质性凝胶化过程中凝胶团簇间存在各向异性压缩，这是传统方法示踪形状各向同性的球形颗粒的平移运动所无法呈现的。

图1 原理示意图。(A, B)用于测定单个AuNRs趋向角度的双通道偏振暗场显微镜(DPDFM)示意图；(C, D)三种不同旋转状态示意图及其代表性DPDFM成像序列。

  首先，将AuNRs加入PAAm预凝胶溶液中，对其在凝胶化过程中的布朗运动进行成像和示踪。AuNRs的尺寸为60×105 nm，与我们通常所理解的凝胶网络10~100 nm的空间异质性相关长度匹配。图2展示的是反应不同阶段AuNRs的MSD和平移运动轨迹，可以看到随着凝胶化的进行，粒子平移运动逐渐受限，直至基本固定于一点，此过程在传统的基于平移运动示踪的凝胶化过程中是比较常见的，在此之后，粒子便失去其作为平移运动探针的意义，而体系中早前生成的大量凝胶团簇间的更深层程度的交联反应仍在继续进行。对于此研究中所采用的AuNRs示踪粒子，此时依旧保持旋转，且具有多种旋转状态。

图2  PAAm凝胶化过程中AuNRs的平移运动示踪。(A)超过100个AuNRs的平均MSD随滞后时间作图，自上而下每条曲线分别代表不同凝胶化程度时AuNRs的运动行为，虚线代表临界凝胶点，其斜率为0.355；(B)相应的MSD曲线中的特征轨迹。

  然后，通过对单个AuNRs的散射光强度I_x、I_y、极化角θ和面内角φ值的时序变化，以及θ和φ值在极坐标系下的分布密度信息对其旋转进行分析，共得出三种不同的旋转状态，它们分别为：面外旋转(Out-of-Plane Rotation, S3)，面内旋转(In-Plane Rotation, S2)，固定不动(Fixation, S1)。

  由于凝胶团簇的尺寸通常为纳米尺度，与AuNRs的尺寸相当，且PAAm 凝胶团簇带电微弱，因此认为AuNRs不大可能被凝胶团簇包裹或者吸附到凝胶团簇上。而且，在凝胶点之前，大量凝胶团簇是悬浮、分散于预凝胶溶液中的，AuNRs的平移运动随着反应的进行逐渐受限、降低，表明凝胶团簇的流动性也在降低。早前研究已经证明，交联密度的波动导致网络表现出结构的异质性，其空间异质性相关长度居于10 nm到100 nm之间。此相关长度与60×105 nm AuNRs示踪颗粒的尺寸匹配，因此可以认为AuNRs嵌于大量凝胶团簇之间。基于以上原因，可以认定，在AuNRs的平移运动停止后，其继续保持着的多种不同的旋转状态是凝胶团簇之间随深度交联反应而产生动态相互作用的直观表现。

图3 PAAm凝胶化体系中单个AuNRs旋转示踪。(A)代表性的I_x、I_y、θ和φ随时间变化情况。(B)趋向角度的密度分布。(C)单个AuNRs的不同旋转状态示意图和说明。

  接下来，对单个AuNRs的平移和旋转运动进行连续示踪，可以明显看到在粒子失去平移运动后，继续表现出多种旋转状态，由S3至S2、最终至S1的变化过程为凝胶团簇间随深度的凝胶化反应而逐渐增强的相互作用做了动态、连续呈现。

图4 单个AuNRs的连续、动态旋转和平移信息。(A) 不同旋转状态时趋向角度的密度分布；(B) I_x、I_y值，(C) θ、φ值，(D) 位移的随时间变化情况。

  最后，对比和统计了多个AuNRs的旋转信息以从空间分辨角度对PAAm异质性凝胶网络进行理解。

图5 PAAm凝胶化过程中AuNRs的暗场图像。图像A、B和C分别为绝大部分AuNRs平移运动停止0 min、2 min和8 min后所拍摄视频的截屏。绿色、蓝色和红色圆圈分别标记S3、S2和S1状态。

图6 (A)高密度交联凝胶化和(B)低密度交联凝胶化过程中AuNRs动态状态的分布。

  利用DPDFM，成功研究了PAAm凝胶化过程中单个AuNRs的旋转运动行为。对AuNRs在失去平移运动后继续表现出的三种不同旋转状态进行合理认定和详细分析，通过对每种旋转状态的实时、连续呈现，揭示了深度交联时PAAm凝胶团簇间动态的、逐渐增强的各向异性相互作用。在不同位置的AuNRs的旋转状态的差异与统计分析反映出PAAm凝胶网络内部空间与时间的不均匀性。由于聚合物凝胶网络的纳米级空间异质性与其宏观性质密切相关，此基于形状各向异性的纳米棒的单颗粒旋转示踪策略为此提供了一套高时间、空间分辨率的表征手段。尤其是，此策略亦能契合纳米凝胶团簇间低密度交联的程度、分布及演变过程。再结合其他表征技术和高通量分析手段，将可用于更多软物质材料与生物物理动力学体系研究。

  以上成果发表在ACS Nano (DOI: 10.1021/acsnano.9b04491)。论文的第一作者为青岛大学化学化工学院与清华大学化学系联合培养硕士生孙华，通讯作者为清华大学化学系何彦教授和青岛大学化学化工学院王宗花教授。

  论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b04491