陈倩：她让材料物质“活起来”

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现年30岁的伊利诺伊大学材料科学家陈倩（Qian Chen）通过对置于液体环境中的材料进行观察实验，探索了生命物质与非生命物物质之间的边界

● 2016年美国《科学新闻》评选出了10位科技新星，他们都是将在各自领域做出突出贡献的青年科学家，陈倩名列其中。

在一个黑暗的房间里，材料科学家陈倩沐浴在一片绿光中，她正在观看纳米金棒“翩翩起舞”的实时视频，电脑屏幕显示，它们在一个镜筒如电线杆一般粗的巨大显微镜下来回扭动和摆动着。

陈倩注意到，这些纳米粒子和其他极小的物质微粒在液体中不断游动并相互碰撞，它们像细胞中的分子一样，不时组成有序的结构。通过开创生物学灵感激发设计新材料之先河，她正在探索如何让非生物物质的材料物质“活起来”，并探寻其背后的意义。接下来，她准备近距离观察并形成自己对细胞分子本身的看法：维持生物体昼夜不停运转的、灵活多变的多任务蛋白质。

30岁的陈倩已在一些权威刊物上发表了许多论文，并将一些极有远见的想法变成现实。她的终极目标是：模拟已非常完善的活细胞机制，用无生命材料来创造生命或类似于生命的东西。

“如果你能看到它，你就可以开始理解它；如果你能理解它，你就可以控制它。”今年早些时候，她在伊利诺伊大学香槟分校的实验室受访时，陈倩如是说道。

陈倩最初的理想并不是成为一名科学家，在中国长大的她幻想自己有一天会成为一名作家。读中学时，她在一篇屡获殊荣的作文中讲述了一个女孩如何修复臭氧层的故事。“我的想法是创造出可以拉伸的材料，就像气球的外皮一样。”她说。

设计模拟生物分子行为的新材料

到达美国几年后，她萌生了发明新材料和非常规材料的兴趣。作为家中的第一个大学生，2007年她从中国北京大学毕业后前往美国伊利诺伊大学，并在材料科学家史蒂夫•格兰尼克（Steve Granick）手下工作。

陈倩最初的表现就很出色。“困难的事情到了她手里就变得轻松容易了。”如今在韩国蔚山国立科技研究所的格兰尼克说道，特别是他回忆起在一次实验中陈倩完成了一些科学家认为不可能实现的壮举：她让成千上万的微小粒子组成一个开放有序的二维结构——而且任由它们自行组装。

陈倩一直研究的胶粒在显微镜下大约只有1微米，陈倩的想法是用一种黏性涂层覆盖在这些微粒上，黏性涂层就像魔术贴一样，当粒子彼此碰撞时就会粘在一起。起初，“它们看起来一团糟，似乎是一次失败的实验。”格兰尼克说道，“如果是别的大多数研究生，遇到这种情况会直接放弃继续探索。”

但陈倩没有放弃，经过一整天的尝试，经过在液体中反复的黏合和分离，这些粒子的状态终于稳定了下来。通过功用特殊的涂层和陈倩采用的特殊方式（如覆盖在每个粒子的顶部和底部），最终形成了一个类似于蜂巢的六边形晶格结构——“戈薇晶格”（kagome lattice）。之前的科学家们从未能够诱导胶体粒子形成这样的开放式多孔结构。陈倩说，通常情况下，这些颗粒会更紧密地聚集在一起，就像水果店货架上堆放的苹果一样。

左：涂上粘性涂层后，胶体粒子以戈薇晶格的形式聚集起来；右：条纹状涂层可形成粒子的特定取向

陈倩的研究成果以“定向自组装胶体戈薇晶格”（Directed self-assembly of a colloidal kagome lattice）为题发表在2011年的《自然》杂志上。在此篇论文发表的前一周，陈倩和格兰尼克在《科学》杂志上联名发表了另一篇论文“雅努斯球的超胶体反应动力学”（Supracolloidal reaction kinetics of Janus spheres），论述了粒子自组装成一个扭曲链或螺旋状结构的过程。当时陈倩只有24岁。

“她的研究成果已跻身于当今科研的最前沿，她在科学研究上充满进取精神且富有创意。”宾夕法尼亚州立大学化学家克里斯汀•基廷（Christine Keating）说道。

虽然人们现在还无法确定这类粒子的应用前景究竟如何，但一些研究人员设想，自组装材料可应用于建造智能水过滤器或者可根据阳光强弱变化调整的太阳能电池板等，但是所有的可能性在目前都还难以捉摸。陈倩“正在试图发明这种粒子的游戏规则，她为未来技术奠定了基础。”格兰尼克说道。

她的下一个研究重点将通过模拟生物分子的行为，将她的材料分子从自组装 “101”入门级水平提升到“大师级”水平，但她目前的首要任务是先观察它们的行为。

开发新显微技术观察细胞内部动态

2012年，陈倩前往加州大学伯克利分校与美国国家科学奖章得主保罗•阿利维萨托斯（Paul Alivisatos）合作，试图开创出一项新的显微镜技术。

现在的科学家可以在显微镜下观察蛋白质和DNA的细节，但观察到的结果通常是静止的画面，很难得到蛋白质在天然与流动世界里活动的动态镜头，如果能够看到它们的实际运动和行为，就可以揭示出不同蛋白质成分在其中所扮演的角色。

“即使是一项令其发明者获得2014年诺贝尔奖的显微技术，也只是利用荧光分子来“照亮”细胞的移动部分，却不能揭示蛋白质活动的复杂性。”陈倩说道。它们只是一些在显微镜下发光的点。想象一下，这就像你从飞机舷窗看向地面的一辆自卸卡车，你肯定看不到卡车装卸时活塞和铰链如何工作的具体细节。

“我以这个为灵感。”陈倩边说边拿过笔记本电脑，打开了一个探索生物学神奇世界的视频，电脑动画显示分子在快速旋转着进入细胞深处，灰绿色的气泡吸附在长链上，蛋白质沿着特定轨迹运送着巨大凝胶状的气泡。这只是一个动画模拟的假设，目前还没有人能清晰看到动画假想中的现实图景，但陈倩目前在伊利诺伊帮助开发的技术将有可能改变这一点。

这项正在开发中的显微技术被称为液相透射电子显微镜，它是对现有显微技术的巧妙改进。在传统的标准透射电子显微镜（TEM）下，研究人员通过对置于真空中的观察样品射入一道电子束可获得亚纳米级的图像，不过这个样本必须是固态的——就像石头一样——因为液体会蒸发。

陈倩通过在石墨烯的薄层之间夹上一层液体，很好地解决了这个问题。这就像把水滴放在塑料袋里一样，液体不会蒸发消失，研究人员可以通过它观察周围粒子的随机状态。陈倩已经使用该技术观察到了纳米金棒两端相接组装的行为和连接DNA的纳米晶体在三维空间中的移动和旋转，取得重大突破性进展的前景可以说已经胜利在望。

陈倩利用液相显微镜观察细胞机制达到的清晰程度是以前任何一位科学家都望尘莫及的，但对于透露更多的细节她持谨慎态度。如果陈倩能够成功，她将有可能破解生物学结构与功能联系的代码——弄清楚蛋白质的组成部分，即承担具体工作的“活塞”和“铰链”。通过了解构成生命的组成部分，将有助于科学家从无生命的人造材料中创造出“活性”的新材料，并让它们做自己力所能及的一切事情。

我们还未能走到那一步，”陈倩说，“但这是我们的远大梦想。