氷の核形成、成長、および再結晶を制御するためのバイオインスピレーション材料

主に氷の核生成、氷の成長、氷の再結晶からなる氷の形成は、凍結生物学から大気物理学まで、広範囲にわたる分野で遍在し、重要です。1世紀以上の積極的な研究にもかかわらず、氷の形成のメカニズムはまだ満足のいくものではありません。一方、自然には氷の形成を制御するユニークな方法があり、氷の形成のメカニズムを解明するための機知に富んだ道を提供することができます。たとえば、不凍液タンパク質（AFPS）は、氷の形成を制御すること、氷の核形成の調整、氷の結晶の形成、氷の成長と再結晶の阻害など、氷の形成を制御することで生物を凍結することから生物を保護します。さらに、AFP模倣物には、細胞、組織、臓器の凍結保存、食品貯蔵、および防止材料の用途があります。したがって、AFPSと設計AFPにインスパイアされた材料のメカニズムを理解するために、継続的な努力がなされてきました。このアカウントでは、まず、氷の形成の制御におけるAFPSのメカニズムを理解するための最近の研究の進歩をレビューします。氷の核生成に対するAFPのヤヌス効果が発見されました。これは、AFPの氷結合面（IBF）または非氷拘束面（NIBF）を固体表面に選択的にテザリングし、他の顔の効果を特異的に調査することで達成されました。氷の核形成。Molecular Dynamics（MD）シミュレーション分析により、IBFの上に六角形の氷のような水構造とNIBFの障害水構造が観察されました。したがって、界面水は氷の形成を制御する上で重要な役割を果たすと結論付けます。次に、AFP模倣物の設計と製造について、氷の核形成と氷の形と成長の制御、および氷の再結晶の阻害を調整する能力を備えています。たとえば、超充電された折り畳まれたポリペプチド（SUP）および異なる対イオンを含む高分子電解質ブラシ（PB）を使用して固体表面を変更することにより、氷の核生成を調整しました。酸化グラフェン（GO）と酸化された準炭素亜炭素量子ドット（OQCNS）が、氷の形を制御し、氷の成長を阻害するのに大きな効果があることがわかりました。また、多種多様な陰イオンとカチオンを伴う氷の再結晶阻害（IRI）に対するイオン特異的効果を研究しました。これらの材料の界面水の特性を調整することにより、すべての機能が達成され、氷の形成における界面水の重要性が強化されます。最後に、氷の形成の強化された理解から生まれた新しいアプリケーション指向の材料の開発、例えば、水性潤滑層、氷の再結晶を阻害することにより細胞の凍結保存、および2次元（2D）と3つの氷の凍結保存を伴う超氷の接着コーティングから出現する新しい材料の開発をレビューします。- 再結晶化された氷の結晶テンプレートを介した調整可能な細孔サイズを備えた次元（3D）多孔質材料。この説明は、氷層の分子メカニズムに新たな光を当て、制御された氷層に基づいて前例のない機能材料の設計を促します。

Ice formation, mainly consisting of ice nucleation, ice growth, and ice recrystallization, is ubiquitous and crucial in wide-ranging fields from cryobiology to atmospheric physics. Despite active research for more than a century, the mechanism of ice formation is still far from satisfactory. Meanwhile, nature has unique ways of controlling ice formation and can provide resourceful avenues to unravel the mechanism of ice formation. For instance, antifreeze proteins (AFPs) protect living organisms from freezing damage via controlling ice formation, for example, tuning ice nucleation, shaping ice crystals, and inhibiting ice growth and recrystallization. In addition, AFP mimics can have applications in cryopreservation of cells, tissues, and organs, food storage, and anti-icing materials. Therefore, continuous efforts have been made to understand the mechanism of AFPs and design AFP inspired materials. In this Account, we first review our recent research progress in understanding the mechanism of AFPs in controlling ice formation. A Janus effect of AFPs on ice nucleation was discovered, which was achieved via selectively tethering the ice-binding face (IBF) or the non-ice-binding face (NIBF) of AFPs to solid surfaces and investigating specifically the effect of the other face on ice nucleation. Through molecular dynamics (MD) simulation analysis, we observed ordered hexagonal ice-like water structure atop the IBF and disordered water structure atop the NIBF. Therefore, we conclude that the interfacial water plays a critical role in controlling ice formation. Next, we discuss the design and fabrication of AFP mimics with capabilities in tuning ice nucleation and controlling ice shape and growth, as well as inhibiting ice recrystallization. For example, we tuned ice nucleation via modifying solid surfaces with supercharged unfolded polypeptides (SUPs) and polyelectrolyte brushes (PBs) with different counterions. We found graphene oxide (GO) and oxidized quasi-carbon nitride quantum dots (OQCNs) had profound effects in controlling ice shape and inhibiting ice growth. We also studied the ion-specific effect on ice recrystallization inhibition (IRI) with a large variety of anions and cations. All functionalities are achieved by tuning the properties of interfacial water on these materials, which reinforces the importance of the interfacial water in controlling ice formation. Finally, we review the development of novel application-oriented materials emerging from our enhanced understanding of ice formation, for example, ultralow ice adhesion coatings with aqueous lubricating layer, cryopreservation of cells by inhibiting ice recrystallization, and two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) porous materials with tunable pore sizes through recrystallized ice crystal templates. This Account sheds new light on the molecular mechanism of ice formation and will inspire the design of unprecedented functional materials based on controlled ice formation.