在我們的身體裡，細胞內常存在一些「沒有膜包覆的小液滴」，它們就像微型反應艙，能將特定分子聚集起來，調控基因表現、傳遞訊號，甚至進行定時定點的材料輸送。科學家一直希望能在人工系統中重現這種「既能可控生成、又能定向移動」的液滴，但難度極高——尤其在不使用油相的全水環境中，傳統方法往往顧此失彼。

近日，澳門科技大學材料科學與工程研究院李健維副教授團隊找到了一條簡潔的新路徑：他們發現，只要把普通水（H₂O）換成它的同位素「重水」（D₂O），就能大幅加速這類人工液滴的形成；更巧妙的是，當重水與普通水之間形成梯度時，還能像輸送帶一樣驅動液滴定向移動，並在途中裝卸「貨物」。該研究已發表在國際頂級化學期刊《美國化學會誌》（Journal of the American Chemical Society, JACS）。

重水加速「細胞樣液滴」的形成和驅動液滴的定向運動

重水聽起來陌生，其實就是把普通水中氫原子（H）替換為質量更重的同位素「氘」（D）。它的化學性質與普通水幾乎一樣，但分子間的氫鍵更強、表面張力稍低。正是這兩個看似不起眼的差異，帶來了意想不到的調控效果。

李健維團隊設計了一套多組分的智慧混合液，其中一種成分會在溶液中「現場組裝」成疏水分子，這些分子再與帶負電的大環分子結合，從而引發液態分層，生成微米大小、類似細胞內部的凝聚層液滴。

實驗結果令人驚訝：把溶劑從普通水換成重水後，液滴生成的「等候時間」大幅縮短。原先一個配方在普通水中數小時都難以出現液滴，在重水中約一個半小時即順利生成；另一個配方則從約 70 分鐘縮短至約 36 分鐘，且能形成液滴的濃度範圍也明顯拓寬。

為何如此？團隊通過多種精密分析排除了「化學反應速度變快」的可能性，發現關鍵在於重水強化了分子之間的非共價作用，尤其是疏水相互作用，讓分子更容易「抱團」凝聚成核，進而觸發相分離。簡單說，重水就像一個溫和的助推器，讓本來搖擺不定的分子群快速聚集。

更引人注目的是液滴的運動能力。由於重水的表面張力低於普通水，當兩種水相互接觸形成梯度時，會在液體表面產生「馬蘭戈尼流」（一種因表面張力不均而引發的流動），推動液滴從重水區域朝向普通水區域移動。

團隊設計了一個雙孔連通的裝置，觀察到液滴沿著重水－普通水的梯度，持續且定向地遷移，速度是無梯度情況的約 2.7 倍。遷移過程中，這些液滴還能像「微型運輸車」一樣，攜帶熒光染料作為貨物，並與周圍環境交換物質，展現出模擬生命系統中物質傳遞的潛力。

李健維副教授表示，這項工作最大的特色在於「非侵入」：既不需要改變酸鹼值或離子濃度，也不需添加額外的化學燃料，僅憑水的同位素差異，就首次在全水人工體系中同步實現了液滴的「局部形成」與「定向運輸」雙重功能，一定程度上再現了細胞調控的時空邏輯。這為設計具備自適應能力、更接近生命特徵的軟物質材料，以及探索原始細胞等合成生物學問題，提供了全新的視角與工具。

研究還發現，這種效應並非普適，若換用結構相近但稍有不同的分子，可能表現出截然不同的行為，說明體系對分子間靜電與疏水作用的平衡極其敏感。這也為未來精細調控該類系統留下了豐富的工程空間。

論文資訊：

論文題目：Deuterated Water Accelerates Phase-Separated Droplet Formation and Enables Directional Motion

發表期刊：Journal of the American Chemical Society（《美國化學會誌》）

全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c03395

通訊作者：李健維（澳門科技大學材料科學與工程研究院 MIMSE）

第一作者：Caihong Lin（芬蘭圖爾庫大學）

其他作者：Jingjing Yu, Dawei Qi, Xuncheng Shi, Tuomas Niemi-Aro

基金支持：澳門特別行政區科學技術發展基金（FDCT，編號 0119/2025/RIB2）、芬蘭 Sigrid Jusélius 基金會、芬蘭科學院（Academy of Finland，編號 318524）