形态发生是自然界从一组固定的成分中构建多样结构和功能的方式。虽然自然界中有很多关于形态发生、细胞分化、胚胎发育和细胞骨架形成的例子，但对合成材料中这种现象的研究却很少。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员正迈进了一步，利用电子断层扫描、流体动力学理论和机器学习来观察软聚合物作为聚合物从自然中学习的过程。
这项新研究由材料科学与工程教授钱晨领导,这是第一个在合成材料中展示纳米级形态发生的实验。这项研究发表在《科学进步》杂志上。
前伊利诺伊州博士后研究员Hyosung An说：“你可能会看到你家里的净水系统中的过滤器是带有孔的简单膜，但当我们使用电子断层扫描放大时，它们要复杂得多。通过在可旋转的平台上拍摄样品膜的图像，我们可以以亚纳米分辨率重建其完整的3D形态。”该研究的主要作者、韩国中央大学石油化工材料工程教授。
通过从不同角度进行成像，研究人员能够以前所未有的空间分辨率看到薄膜的复杂3D结构及其所有褶皱、内部空隙和网络。该研究的实验部分负责人陈说，这些结构非常复杂，传统的形状描述，如半径和长度，都是无效的。
为了帮助团队成员了解膜的复杂性质，研究生约翰·W·史密斯和姚乐汉开发了一个基于机器学习的工作流程，以数字化结构参数。
我们可以看到合成膜和生物系统之间的形态相似性，我们测试了几个模型，发现与解释宏观生物系统中发现的结构（如鱼皮上的图案）的传统理论惊人的定量一致。这些分子是智能的，我们预计类似的形态发生也会发生在其他软聚合物材料中，我们只是在没有工具之前没有看到它们。冯与博士后研究员季秉强一起领导了这项研究的流体动力学和反应建模。
与研究生斯蒂芬·科蒂（Stephen Cotty）一起领导膜分离研究的苏说：“这种影响超出了对机械原理的理解。分离科学的一个长期难题是如何关联膜形态和性能。我们的研究将对形态的详细纳米级理解与膜过滤测试结合起来，对各种分离环境具有重要意义。”
研究人员设想了这一发展的广泛应用，可能会在整个形态发生过程中扩展聚合物、囊泡、微凝胶和复合材料等软纳米材料的功能。
通过在形成化学反应过程中铸造3D纳米形态，这一进展将有助于其他复杂3D形态材料的设计，驱动纳米机器和其他具有精确3D界面形态的仿生材料等设备背后的技术，其形状可能会影响生物相互作用，这些技术可能都会因我们的发现而进步。
“通过定量3D成像和机器学习揭示聚酰胺薄膜中纳米形态形成的机制和性能相关性”这篇论文发表在《科学进步》杂志上。
