基于分子乐高积木方法的大分子自组装综述
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基于分子乐高积木方法的大分子自组装综述
发布时间:2020-04-21        浏览次数:240

大分子自组装在近些年取得了飞速的发展,并被广泛应用于载药、纳米光刻、催化、分子电子器件、传感器等领域。众所周知,材料的性能及功能不仅与材料的化学组分相关,而且与内在不同尺度的结构有着密切关联。化学结构上的细小差异可能会引起组装结构以及功能上的巨大差异。近年来,随着“点击”反应的发展,具有特定形状以及作用力的大分子得以精确合成。这些具有特定形状与相互作用力的大分子展现出多样新颖的组装行为、组装结构以及功能。近日,华南软物质科学与技术高等研究院团队在高分子领域顶级综述期刊Progress in Polymer Science发了表题为《The role of architectural engineering in macromolecular self-assemblies via non-covalent interactions: A molecular LEGO approach》的综述论文。该论文从结构工程的角度系统且全面地总结了高分子、树枝状大分子、巨型分子、胶体、DNA以及蛋白质等大分子的组装行为,重点聚焦在大分子自组装形成的周期以及准周期性结构。

在该文章中,作者提出了一种全新的概念:简单的构造模块(building blocks)可以拼接成具有复杂结构及相互作用力的大分子基元(macromolecular motifs),这些大分子基元通过非共价作用力进一步组装成有序结构。这个过程与乐高积木的拼接有很多相似之处,因此也称为乐高积木方法。文章根据构造模块的整体形状将它们分为五大类,分别是高分子线团、树枝状大分子、棒状分子、盘状分子以及多面体分子(表格1)。这五类基本构造模块既可以同类组合也可以跨类别组合,因此可以得到共15种组合(图1),例如两种或者多种高分子线团可以构建嵌段共聚物;多面体纳米分子与高分子线团可以构建巨型表面活性剂;盘状分子与高分子线团可以构建液晶高分子;树枝状大分子与多面体纳米分子可以构成树枝状巨型分子;盘状分子与多面体纳米分子可以构成巨型形状两亲体;多种多面体纳米分子可以构成巨型多面体等等。文章详尽描述了这十五类大分子基元的组装行为,尤其侧重描述组装的结构以及相关功能。

自从斯陶丁格提出大分子假说以来,高分子科学得到了繁荣的发展,尤其是线性高分子为我们的生活带了方方面面的改变。具有特定形状及相互作用力的大分子进一步拓展了大分子材料的结构与功能的多样性。在文章的结尾,作者对基于乐高积木法构建大分子提出了几点挑战与展望。首先应该进一步拓展构造模块的工具箱,例如有机笼状分子、金属-有机笼状复合物、精确的无机团簇、金属纳米粒子等等,以及进一步拓展生物大分子例如DNA、蛋白质等等在该方法中的使用。其次,相比于自然界中存在的许多精密结构,人为设计的大分子自组装还处于起始阶段,完全操控多级自组装的复杂二维、三维结构仍是一个挑战。最后,大分子自组装结构与特定的生物、机械、电、磁等方面的性能之间的关系尚未完全清楚。面对这些挑战,前沿领域的多学科合作必不可少,包括但不限于理论与实验物理、计算机模拟、精确到化学合成以及先进的化学与生物学表征手段。毋庸置疑的是这类具有特定形状及作用力的大分子将成为一类广泛适用,甚至具有新奇性能的新型材料。


1,基于高分子线团、树枝状分子、多面体分子、棒状分子、盘状分子等构建模块所能构建的15类大分子基元。这15类大分子基元在对应的箭头或者双箭头中间列出。

 表格1,五种常见构造模块的分类


Su,Z.#; Zhang,R.; Yan,X.-Y.; Guo,Q.-Y.; Huang,J.;  Shan,W.; Liu,Y.; Liu,T.; Huang,M.*; S. Cheng*, The role of architectural engineering in macromolecular self-assemblies via non-covalent interactions: A molecular LEGO approach.Prog. Poly. Sci.2020,103,101230.

文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S007967002030023X

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