來(lái)源：人民日?qǐng)?bào)

作者：張琦、伯納德·費(fèi)林加

近期，中國(guó)與荷蘭科學(xué)家合作完成的一項(xiàng)新成果發(fā)表在《自然·化學(xué)》雜志上：研究團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)室中成功合成出具有明確內(nèi)外雙層螺旋結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)高分子。這一分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)靈感源自上海中心大廈的獨(dú)特建筑形態(tài)，分子高度僅幾十納米、直徑僅2納米，相當(dāng)于將632米高的摩天大樓縮小至約10億分之一，是人類(lèi)頭發(fā)絲的800萬(wàn)分之一。實(shí)驗(yàn)表明，該材料展現(xiàn)出類(lèi)似天然蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)行為，可隨溫度變化伸縮、在特定條件下完全解旋，并最終降解為人體可吸收的小分子，無(wú)殘留風(fēng)險(xiǎn)，這為仿生智能材料的研發(fā)開(kāi)辟了新路徑。

螺旋聚合物和上海中心大廈結(jié)構(gòu)示意圖

從建筑奇觀到功能材料

該研究由華東理工大學(xué)費(fèi)林加諾貝爾獎(jiǎng)科學(xué)家聯(lián)合研究中心完成。2019年，研究團(tuán)隊(duì)在參觀上海中心大廈時(shí)受到啟發(fā)。該大廈于2016年建成，是目前中國(guó)第一高樓、世界第三高樓，以多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)在超高層建筑史上具有里程碑意義。研究團(tuán)隊(duì)特別注意到，其獨(dú)特的內(nèi)外雙層螺旋外觀不僅賦予建筑獨(dú)特的空氣動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，也令人聯(lián)想到生命體系中的螺旋結(jié)構(gòu)，如DNA和某些蛋白質(zhì)。由此，研究團(tuán)隊(duì)提出一個(gè)科學(xué)設(shè)想：能否在非生物體系中，通過(guò)化學(xué)合成手段構(gòu)建具有類(lèi)似幾何特征和動(dòng)態(tài)功能的人工高分子？

生物體內(nèi)的螺旋高分子承擔(dān)著信息存儲(chǔ)、結(jié)構(gòu)支撐或催化等關(guān)鍵功能，其精密構(gòu)型被認(rèn)為是“生命密碼”的物理載體。然而，數(shù)十年來(lái)，化學(xué)家雖然能合成出螺旋結(jié)構(gòu)高分子，但往往基于難降解、難回收的剛性骨架，不具備天然螺旋高分子一樣的動(dòng)態(tài)功能。

此次研究團(tuán)隊(duì)從最基礎(chǔ)的小分子出發(fā)，嘗試將氨基酸、二硫鍵等天然的、與生物相容的“分子積木”，通過(guò)動(dòng)態(tài)可逆的化學(xué)鍵連接起來(lái)，構(gòu)筑出穩(wěn)定的螺旋構(gòu)象。不過(guò)，早期設(shè)計(jì)的分子僅靠氫鍵等弱相互作用維持螺旋，一旦受熱或環(huán)境變化，結(jié)構(gòu)便迅速“坍塌”。

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)終于找到了關(guān)鍵突破口：將動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵（特別是可逆的二硫鍵）與剛性氨基酸骨架巧妙結(jié)合，使螺旋結(jié)構(gòu)既具備柔韌性，又能穩(wěn)定存在。研究發(fā)現(xiàn)，該高分子像彈簧一樣，在加熱時(shí)可伸展，冷卻后恢復(fù)螺旋；在堿性環(huán)境下，二硫鍵斷裂，整個(gè)結(jié)構(gòu)在可控范圍內(nèi)可解聚為原始小分子，成為人體代謝通路中的常見(jiàn)組分——氨基酸和二硫小分子。

這一成果在生物功能材料方面展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。由于具備優(yōu)異的力學(xué)柔韌性、生物相容性及完全可降解性，該材料有望成為下一代可穿戴或可植入醫(yī)療器件的理想基底。例如，在柔性神經(jīng)接口、靶向藥物遞送系統(tǒng)或組織工程支架中，它既能適應(yīng)體內(nèi)復(fù)雜力學(xué)環(huán)境，又可在完成使命后安全代謝，避免傳統(tǒng)高分子材料長(zhǎng)期滯留引發(fā)的炎癥或毒性風(fēng)險(xiǎn)。

從納米技術(shù)到分子工廠

化學(xué)研究的核心使命之一，是在物理規(guī)律與生命現(xiàn)象之間架設(shè)橋梁。從宇宙大爆炸后的無(wú)機(jī)小分子，到今天能夠思考、創(chuàng)造的人類(lèi)，大自然僅用20種氨基酸和4種堿基作為“序列密碼”，就書(shū)寫(xiě)了一部從“小”到“大”、從無(wú)序到有序的演化史詩(shī)。

在自然萬(wàn)物中，“小”并不等于“簡(jiǎn)單”。以水為例：?jiǎn)蝹€(gè)水分子僅由一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子構(gòu)成，但當(dāng)大量水分子在低溫下通過(guò)氫鍵有序排列時(shí)，可形成蜂窩狀六邊形網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而凝結(jié)為冰晶。據(jù)估算，雪花可能的形態(tài)組合高達(dá)10158種——這一數(shù)字遠(yuǎn)超可觀測(cè)宇宙中的原子總數(shù)（約1080個(gè)）。這種從簡(jiǎn)單基元涌現(xiàn)出的極致復(fù)雜性，或許正是水能成為“生命搖籃”的關(guān)鍵所在。

這種“小”的奧妙，啟發(fā)了一代代科學(xué)家。他們通過(guò)一次次精妙的分子設(shè)計(jì)，完成了很多重要的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明。1959年，物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在《底部還有很大空間》的演講中預(yù)言：人類(lèi)能夠從單個(gè)原子或分子出發(fā)進(jìn)行組裝，以構(gòu)建具有特定功能的物質(zhì)，并在一個(gè)極小的尺度操作和控制物體，將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)用前景極其廣闊的技術(shù)——這被廣泛認(rèn)為是納米技術(shù)的理論起源。

之后，隨著現(xiàn)代顯微成像技術(shù)的發(fā)展和成熟，人類(lèi)逐步獲得“看見(jiàn)”并操縱單個(gè)原子的能力。上世紀(jì)80—90年代，法國(guó)科學(xué)家索瓦日、英國(guó)科學(xué)家司徒塔特相繼合成出機(jī)械互鎖型分子結(jié)構(gòu)，這些分子能夠在納米尺度下像機(jī)器一樣發(fā)生線性穿梭運(yùn)動(dòng)，因此被稱(chēng)為“分子機(jī)器”。1999年，費(fèi)林加研制出首個(gè)光驅(qū)動(dòng)“分子馬達(dá)”（即可以繞軸定向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的分子機(jī)器，尺寸不足2納米），隨后又開(kāi)發(fā)出能在金屬表面定向移動(dòng)的“分子車(chē)”，該分子車(chē)由4個(gè)分子馬達(dá)作為“車(chē)輪”，能夠像汽車(chē)一樣直行、轉(zhuǎn)彎和剎車(chē)。三人因在分子機(jī)器設(shè)計(jì)與合成方面的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)，共同獲得2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

近年來(lái)，費(fèi)林加團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將“分子馬達(dá)”嵌入金屬有機(jī)框架中，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體分子的光控捕獲與釋放，相當(dāng)于在固態(tài)材料內(nèi)部構(gòu)建了微型“分子工廠”。未來(lái)，此類(lèi)系統(tǒng)有望用于精準(zhǔn)藥物遞送或環(huán)境污染物清除。

從研發(fā)設(shè)計(jì)到更多應(yīng)用

“造小”的藝術(shù)，因應(yīng)著人類(lèi)社會(huì)的多種需求。2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了“量子點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)與合成”，也是“造小”的典范?？茖W(xué)家通過(guò)將無(wú)機(jī)半導(dǎo)體顆粒尺寸縮小至1—20納米范圍，使其電子運(yùn)動(dòng)受限于極小空間，從而產(chǎn)生顯著的量子限域效應(yīng)——此時(shí)，材料的光、電、磁等物理性質(zhì)不再僅由化學(xué)成分決定，而是強(qiáng)烈依賴(lài)于顆粒尺寸。這類(lèi)極小的量子點(diǎn)可以精準(zhǔn)調(diào)控其光電性質(zhì)，在器件、催化、傳感、信息等方面展現(xiàn)重要應(yīng)用前景。目前基于量子點(diǎn)技術(shù)的顯示技術(shù)（OLED）已進(jìn)入量產(chǎn)階段，相比傳統(tǒng)有機(jī)發(fā)光二極管，展示出高亮度、廣色域等優(yōu)勢(shì)。

2025年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予金屬有機(jī)框架材料領(lǐng)域，也可以認(rèn)為是“造小”的藝術(shù)。研究人員通過(guò)金屬離子與剛性棒狀分子的框架組裝，制造出具有特定幾何尺寸的三維孔道結(jié)構(gòu)，而這些孔道的孔徑只有幾納米，因此可以對(duì)特定尺寸的氣體分子展現(xiàn)選擇性的吸附特征，實(shí)現(xiàn)工業(yè)氣體的富集、儲(chǔ)存和分離等功能應(yīng)用。目前，基于金屬有機(jī)框架材料的空氣取水裝置已在非洲干旱地區(qū)試點(diǎn)應(yīng)用，每公斤材料每日可從低濕度空氣中捕獲數(shù)升淡水，為解決水資源危機(jī)提供新方案。

在信息科技領(lǐng)域，分子機(jī)器也擁有巨大的應(yīng)用潛力。司徒塔特團(tuán)隊(duì)曾于2007年演示了一種基于分子穿梭運(yùn)動(dòng)的存儲(chǔ)器件，可利用分子機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分子級(jí)別的單向運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)外部刺激（如光、熱或電場(chǎng)）控制分子狀態(tài)的切換，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。理論上，這一分子機(jī)器芯片每平方厘米可存儲(chǔ)100GB數(shù)據(jù)。盡管尚處概念階段，但其突破現(xiàn)有硅基芯片存儲(chǔ)能力極限的前景令人期待。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，費(fèi)林加團(tuán)隊(duì)正致力于開(kāi)發(fā)可在體內(nèi)靶向清除病變細(xì)胞的納米機(jī)器人。理想狀態(tài)下，這類(lèi)2納米大小的分子轉(zhuǎn)子（結(jié)構(gòu)可旋轉(zhuǎn)的分子機(jī)器）可通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)在癌細(xì)胞膜上打孔，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)殺傷。目前該技術(shù)的應(yīng)用還存在一些技術(shù)瓶頸，比如如何使用穿透性更強(qiáng)的近紅外光驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，如何提升對(duì)病變細(xì)胞的識(shí)別特異性等。一旦實(shí)現(xiàn)突破，對(duì)于分子醫(yī)學(xué)研發(fā)也具有重要意義。

盡管“造小”技術(shù)日新月異，目前在研發(fā)和運(yùn)用上仍面臨多重挑戰(zhàn)：原子級(jí)成像與操控設(shè)備成本高昂、適用場(chǎng)景有限；微觀世界的動(dòng)態(tài)復(fù)雜性使得精準(zhǔn)控制極為困難；從單一功能分子到集成系統(tǒng)的跨越需要長(zhǎng)期積累。但我們相信，隨著人工智能輔助分子設(shè)計(jì)、自動(dòng)化合成平臺(tái)和新型表征技術(shù)等發(fā)展，“造小”的藝術(shù)必將加速向規(guī)模化、工程化技術(shù)轉(zhuǎn)化。未來(lái)，這類(lèi)材料有望在可持續(xù)能源、智能穿戴、精準(zhǔn)醫(yī)療和環(huán)境治理等領(lǐng)域深度融入人類(lèi)日常生活。