華南理工程正迪院士團隊綜述:基於分子樂高積木方法的大分子自組裝

華南理工程正迪院士團隊綜述:基於分子樂高積木方法的大分子自組裝

大分子自組裝在近些年取得瞭飛速的發展,並被廣泛應用於載藥、納米光刻、催化、分子電子器件、傳感器等領域。

眾所周知,材料的性能及功能不僅與材料的化學組分相關,而且與內在不同尺度的結構有著密切關聯。化學結構上的細小差異可能會引起組裝結構以及功能上的巨大差異。近年來,隨著“點擊”反應的發展,具有特定形狀以及作用力的大分子得以精確合成。這些具有特定形狀與相互作用力的大分子展現出多樣新穎的組裝行為、組裝結構以及功能。

近日,華南軟物質科學與技術高等研究院程正迪教授課題組與黃明俊教授課題組,在高分子領域頂級綜述期刊Progress in Polymer Science發瞭表題為《The role of architectural engineering in macromolecular self-assemblies via non-covalent interactions: A molecular LEGO approach》的綜述論文。該論文從結構工程的角度系統且全面地總結瞭高分子、樹枝狀大分子、巨型分子、膠體、DNA以及蛋白質等大分子的組裝行為,重點聚焦在大分子自組裝形成的周期以及準周期性結構華南理工大學為文章第一單位,蘇澤彬博士為第一作者,程正迪教授以及黃明俊教授為文章的共同通訊作者。

在該文章中,作者提出瞭一種全新的概念:簡單的構造模塊(building blocks)可以拼接成具有復雜結構及相互作用力的大分子基元(macromolecular motifs),這些大分子基元通過非共價作用力進一步組裝成有序結構。這個過程與樂高積木的拼接有很多相似之處,因此也稱為樂高積木方法。文章根據構造模塊的整體形狀將它們分為五大類,分別是高分子線團、樹枝狀大分子、棒狀分子、盤狀分子以及多面體分子(表格1)。

這五類基本構造模塊既可以同類組合也可以跨類別組合,因此可以得到共15種組合(圖1),例如兩種或者多種高分子線團可以構建嵌段共聚物;多面體納米分子與高分子線團可以構建巨型表面活性劑;盤狀分子與高分子線團可以構建液晶高分子;樹枝狀大分子與多面體納米分子可以構成樹枝狀巨型分子;盤狀分子與多面體納米分子可以構成巨型形狀兩親體;多種多面體納米分子可以構成巨型多面體等等。文章詳盡描述瞭這十五類大分子基元的組裝行為,尤其側重描述組裝的結構以及相關功能。

華南理工程正迪院士團隊綜述:基於分子樂高積木方法的大分子自組裝
圖1,基於高分子線團、樹枝狀分子、多面體分子、棒狀分子、盤狀分子等構建模塊所能構建的15類大分子基元。這15類大分子基元在對應的箭頭或者雙箭頭中間列出。
華南理工程正迪院士團隊綜述:基於分子樂高積木方法的大分子自組裝
表格1,五種常見構造模塊的分類

自從斯陶丁格提出大分子假說以來,高分子科學得到瞭繁榮的發展,尤其是線性高分子為我們的生活帶瞭方方面面的改變。具有特定形狀及相互作用力的大分子進一步拓展瞭大分子材料的結構與功能的多樣性。在文章的結尾,作者對基於樂高積木法構建大分子提出瞭幾點挑戰與展望。首先應該進一步拓展構造模塊的工具箱,例如有機籠狀分子、金屬-有機籠狀復合物、精確的無機團簇、金屬納米粒子等等,以及進一步拓展生物大分子例如DNA、蛋白質等等在該方法中的使用。其次,相比於自然界中存在的許多精密結構,人為設計的大分子自組裝還處於起始階段,完全操控多級自組裝的復雜二維、三維結構仍是一個挑戰。最後,大分子自組裝結構與特定的生物、機械、電、磁等方面的性能之間的關系尚未完全清楚。面對這些挑戰,前沿領域的多學科合作必不可少,包括但不限於理論與實驗物理、計算機模擬、精確到化學合成以及先進的化學與生物學表征手段。毋庸置疑的是這類具有特定形狀及作用力的大分子將成為一類廣泛適用,甚至具有新奇性能的新型材料。

文章鏈接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S007967002030023X

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