结晶过程的可控性无论对于科学研究抑或是实际应用来说都是至关重要的,因此有必要对晶体的形核及生长机制进行透彻的研究。经典的形核理论认为溶液中单体直接一步形核并生长成为晶体。非经典形核理论认为溶液中单体先形成无定型前聚体,然后该前聚体转化为晶核并通过组装的方式形成晶体。非经形核理论由于更符合实际结晶过程,尤其针对于大分子结晶而被广泛研究应用。非经典形核过程又可分为相分离和相转变两部分,其中,相分离是指在过饱和度的驱动下溶液出现固液相的界面进而相分离形核,而相转变则是指亚稳定的无定型相形成具有稳定晶体结构的晶核。但是,从前聚体向晶核的转变非常快且混杂在同一溶液相中,无法说明该前聚体在形核过程中是自身转变为形核还是为溶液中的分子形核提供环境。即缺乏一个联系分子细节和整体行为的预测性描述,尤其对于结晶比较困难的大分子结晶。其次,以往的(生物)大分子两步形核模型大多局限于均相溶液中,而自然界中涉及重要生物功能的蛋白质形核结晶过程往往发生在异相表/界面处,例如S-layer蛋白组装、蛋白质分子的储存和释放等,因此表/界面处大分子的两步形核需要重点研究。针对上述挑战,利用本课题组类淀粉样溶菌酶组装体系成功构筑了相分离和相转变可区分的两步形核系统并研究其组装机理,为理解两步形核提供了新的依据及思路;同时利用该体系初步诱导了颗粒的有序排列,有望实现一种新的制备二维胶体晶体的方法。研究工作如下:(1)相分离、相转变可区分的两步形核结晶系统:利用解折叠溶菌酶组装体系成功构筑了相分离相转变可区分的两步形核系统。其中相分离部分是指溶菌酶分子在三(2-羧乙基)膦(TCEP)的作用下解折叠,疏水基团暴露后蛋白质分子聚集,体相出现明显的固液相分离并在气液界面形成二维纳米薄膜;相转变部分则是指将该解折叠溶菌酶薄膜转移至新的气液界面上后,该薄膜在气液界面发生扩散,薄膜中蛋白质分子链展开并重新聚集形核形成晶体。研究证明表面张力及表面空间自由度在整个形核结晶过程中起控制作用,并证明相分离得到的二维纳米薄膜为后续的形核结晶提供环境,即只有溶菌酶薄膜扩散以后才可再次重排结晶。整个体系可区分相分离和相转变,利于分别研究结晶的这两个过程,并且这样一个区别于传统两步形核体系的新的两步形核结晶系统为充分理解两步形核过程提供了新的视角,具有重要理论研究意义。(2)相分离、相转变可区分的结晶系统在诱导颗粒有序排列上的应用将聚苯乙烯(PS)颗粒引入解折叠溶菌酶气液界面成膜体系,可成功在气液界面处得到一层解折叠溶菌酶和PS共组装的杂化薄膜,该薄膜内部PS颗粒呈单层且稍紧密排列。将该杂化薄膜转移至新的气液界面,发现可发生类似溶菌酶薄膜的扩散过程,不同的是扩散后形成了具有一定间距的规整颗粒阵列。相转变、相分离可区分的结晶体系对诱导颗粒有序排列的初步成功为发展新的自组装技术而制备2D胶体晶体提供了基础及新思路。