复旦“人造分子”成果登《科学》：让纳米粒子简易拼接如乐高

发布时间： 2020-09-18 13:18:41　点击量：

高中化学告诉我们，分子是由原子通过共价键连接而成的。化学家们仿照这一点，用无机纳米粒子代替原子，键合成的“人造分子”虽然比真实的化学分子尺寸要大上许多，但也呈现出丰富多样的材料特性。

要像搭积木一样搭分子，传统的方法是给纳米粒子贴上类似于榫和卯的互补结构，难度高，效率低，因此很难量产。

复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室教授聂志鸿团队近日提出了一种新的“人造分子”制备方法，给纳米粒子涂上一层聚合物，利用化学反应控制它们“变”出互补结构，仿佛一团毛线般按照特定的形状纠缠在一起。

相关论文发表在9月11日的世界顶级学术期刊《科学》（Science）上，题为《化学计量反应控制下的自限性纳米粒子定向键合》（Self-limiting Directional Nanoparticle Bonding Governed by Reaction Stoichiometry）。

分子绝非原子在数量上的简单加法，讲究结构和方向。原子因其核外电子的排布情况，天然具有特定的互补结构。而人造无机纳米粒子沿空间各个方向的性质等同，因而容易随意连接堆积。

传统制备方法是在纳米粒子上定点修饰一段DNA分子作为功能基团，利用DNA分子之间的互补相互作用，调控不同纳米粒子结合，正如给纳米级别（1纳米为10的负9次方）圆球上贴上榫卯结构。虽然这种方法可以实现从二聚体到三维晶格的受控超结构，但操作困难，效率低下。

聂志鸿团队发明了一种更为简便的结合方法，在突破“人造分子”的量产瓶颈方面走出了富有希望的一步。

简单来说，不同于精心雕琢过的DNA分子，该研究团队选择给它们穿上一层“毛衣”，即具有互补结构的聚合物，难度要小很多。当然，此时的纳米粒子依然是个均匀的圆球。

接着，利用特定的化学计量反应，原本均匀涂满纳米粒子表面的聚合体会大变身，聚合物的链构象与电荷排布产生变化，整个“圆球”不再是各向同性，获得了沿特定方向结合的趋势。

其中，聚合物配体的长度控制着结合，而静电斥力控制着结粒子的排布，在双重作用下，研究人员就能将“人造分子”调节成想要的形状。在扫描电子显微镜下，这些“人造分子”仿佛被裹在一团以一定规律纠缠的“毛线”里。

（A）典型的硼（B）和氟(F)原子结构以及BF3的分子结构。（B-F）纳米粒子反应形成BF3型 “人造分子”的过程图示（B）;不同反应时间下，产物的扫描电子显微镜照片(C); “人造分子”产率统计分布随反应时间变化（D）; 不同反应时间，所得 “人造分子”内键角的统计分布（E）；计算机模拟 “人造分子”的成键过程（F）。据复旦大学微信公众号，聂志鸿团队在高分子复合材料设计与医学应用等相关研究领域已取得了一系列成果。例如，通过带电聚合物配体诱导两种无机纳米粒子重复交替排布，获得类似尼龙66交替共聚物的线型链结构，并阐明其链增长过程与对应分子体系的交替共聚有相似的动力学和热力学机理。

人造分子可能在传感、催化、超材料和光电器件等领域孕育出有价值的新材料。下一步，聂志鸿团队将着力于程序化构建更为复杂多样的“人造分子”，深入研究各种纳米“人造分子”材料的物理性质，同时，团队也将关注新材料的智能化响应问题，提升材料的可控性。

来源：Science科学

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