孙涛垒团队高冠斌教授与傅正义团队邹朝勇教授最新合作成果登上《JACS》
近日，神经退行性疾病纳米医药湖北省重点实验室孙涛垒（长江、杰青、万人领军）团队高冠斌教授与傅正义院士团队邹朝勇教授的最新合作成果《Nanocluster-Induced Liquid-like Precursor Formation and Crystallization: In Situ Visualization and 3D Reconstruction》在国际顶级学术期刊《Journal of the American Chemical Society》（美国化学会志，JACS）上发表。团队借助功能化金纳米团簇（Au NCs），首次实现了对无机晶体形成过程中“液态前驱体”动态行为的实时观察与三维成像，为探索生物矿化机制和智能材料制备开辟了新路径。傅正义院士与其团队的邹朝勇（国家级高层次青年人才）教授，以及孙涛垒团队的高冠斌（国家级高层次青年人才）教授为该论文的共同通讯作者，博士生陈晋为论文的第一作者。
在自然界中，贝壳、骨骼等生物矿物通过有机分子调控的无序-有序结晶过程形成，但其动态机制长期难以直接观测。传统研究认为，酸性聚合物可诱导“液态前驱体”（PILP）生成，但其参与结晶的具体方式因缺乏可视化手段而难以解析。团队创新性地采用羧基功能化金纳米团簇（Au NCs）替代传统聚合物，成功模拟了聚合物对碳酸钙（CaCO₃）结晶的调控作用。凭借Au NCs的高密度、超小尺寸（约2 nm）及稳定荧光特性，研究首次通过光学显微镜观察到液态前驱体的形成、动态聚散及其与晶体的相互作用，并结合三维成像技术揭示了纳米团簇在晶体内部分布的全过程。
金纳米团(AuNCs)与聚丙烯酸(PAA)调控的碳酸钙结晶过程对比示意图
核心发现
- 实时动态追踪：原位捕捉“液态前驱体”形成与消失
实验显示，在Au NCs存在下，液态前驱体通过动态聚集形成链状结构，并不断附着于晶体表面提供生长离子，直至溶液中的游离钙离子耗尽后逐渐溶解。通过光镜与电子显微镜联用，研究人员首次观察到液态前驱体的动态行为对晶体形貌的实时影响：初期形成的规则菱面体逐渐演变为边缘钝化的“伪晶态”。
- 三维可视化：纳米团簇如何“嵌入”晶体？
借助荧光共聚焦显微镜（CLSM）和透射电镜，团队发现Au NCs在晶体表面优先吸附于特定晶面（如{104}面），导致晶面生长速率差异，从而调控晶体形态。在晶体内部，Au NCs通过诱导晶格应变实现有序分布，揭示了一种类似“缺陷工程”的纳米颗粒嵌入机制。
- 理论验证：酸性基团的关键作用
实验对比表明，仅携带羧酸基团的Au NCs能有效诱导液态前驱体，而氨基修饰的同类材料无效，证实了负电荷基团在调控矿化中的核心地位。
该研究通过纳米材料替代传统聚合物，为理解生物矿化中有机-无机相互作用提供了“可视化模型”。成果不仅拓展了经典的PILP理论，还为多功能复合材料的设计提供了新思路。论文通讯作者高冠斌教授表示：“这项研究打通了‘有机分子如何动态参与结晶’的理论与技术瓶颈，为仿生材料开发提供了全新工具。”邹朝勇教授补充道：“未来，我们将探索该策略在更复杂体系（如磷酸钙等）中的应用，并尝试结合机器学习预测结晶路径。”
论文信息
标题：Jin Chen, Guanbin Gao*, Zijun Zhang, Taolei Sun, Zhengyi Fu*, Zhaoyong Zou*, Nanocluster induced liquid-like precursor formation and crystallization: in situ visualization and 3D reconstruction, J. Am. Chem. Soc., 2025,147(11), 9590–9600.
链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c17643
