万事平台理學院材料生物學研究所諸穎研究員/陳靜副研究員團隊聯合上海交通大學樊春海院士/沈建磊副教授團隊，香港中文大學（深圳）唐本忠院士等團隊，共同研發了一種原子精確的納米機器合成策略，通過分子界面工程技術成功克服了納米界面熱傳導的卡皮查熱阻（Kapitza resistance）效應，構建了超穩定的光熱納米機器。該研究成果近期發表在《自然·材料》（Nature Materials）雜誌上。

在納米尺度上控製熱能的產生及傳導，對於能源、催化、腫瘤的診療及成像等領域而言，是一項重要的科學問題。而現有的光熱納米材料受到結構可重現性、可加工性及生物相容性等限製。

金納米團簇（Au NCs）由於其原子精確的空間結構和小尺寸（通常為1-3納米）等特性，成為一種新型的光熱納米材料。同時，Au NCs作為生物相容材料，可通過肝臟和腎臟排泄從小鼠體內清除，適用於抗癌藥物的體內輸送。然而，這些小尺寸納米顆粒在光熱劑應用中熱穩定性差，其主要原因是由於卡皮查熱阻效應，即納米顆粒-溶劑界面的熱傳導率較低，使得光激發下納米顆粒內部產生的熱能難以及時耗散到溶液中，導致材料過熱並發生結構降解。

為了克服這一挑戰性問題，研究團隊通過納米界面分子工程技術調控Au NCs納米顆粒的界面熱傳導率。通過將螺旋槳狀、可自由旋轉的分子轉子TPE配體錨定到Au NCs的表面，設計了一種具有原子精度的光熱金納米機器。在構建的納米機器結構中，金核吸收光子，激活自由電子，電子-聲子耦合促進界面熱傳輸；而界面的TPE配體通過主動耗散將金核產生的熱量耗散到溶液中。通過這一策略，成功構建了超穩定的光熱納米機器，並將其成功應用於腫瘤光熱治療。

單晶X-射線衍射技術證實了團簇表面的TPE配體呈現一種手性螺旋排列樣式，配體間的π-π, C-H···π 和 H···H相互作用有利於結構的穩定性。固體核磁、變溫核磁表征結果揭示團簇表面配體可以自由運動，且在高分子包裹環境及細胞環境中仍能保持其運動，為在生物體系中實現高效界面熱傳導提供了基礎。飛秒瞬態吸收光譜表明，近紅外的激發光首先激發金核內部的電子運動，自由運動電子通過電子-聲子，聲子-聲子耦合等過程將激發能傳遞到表面配體，最終通過表面配體振動耗散到周圍溶劑中。相比於無轉子配體保護的對照團簇在5次光熱循環後即發生明顯的降解，超穩定的光熱納米機器在20次光熱循環後依然沒有明顯的結構變化。

這種原子精確的光熱納米機器表現出顯著的光熱轉化能力，其光穩定性優於常用的光熱劑，如金納米棒和吲哚菁綠（ICG）。該團隊還證明了納米機器在細胞和小鼠體內能夠保持其結構和功能的完整性，可用於荷瘤小鼠的光熱療法中，實現了僅一次激光照射下的腫瘤熱消融。這一概念驗證實驗表明，這種可持續工作的光熱納米機器有望應用於納米製造、散熱、能量轉換和腫瘤光熱療法等更廣泛的領域。

這項工作得到了國家自然科學基金委、科技部、上海市科委、新基石科學基金會等項目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01721-y