Prog.Poly. Sci.：通過非共價相互作用（大分子LEGO法）的結構工程在大分子自組裝中的作用

【引言】

近年來復雜大分子自組裝的合成與表征研究進展，揭示了大分子自組裝的體系結構和非共價二次相互作用的作用機理。通過高分子結構與二次相互作用的結合來控制高分子自組裝過程，被稱為“結構工程”。針對不同類型的大分子，如嵌段共聚物、樹枝狀大分子、大分子、膠體、生物大分子等，分別綜述了大分子自組裝的結構效應和非共價的分子內/分子間相互作用。已經做了大量的工作來發展各種層次有序的結構。然而，由于缺乏可用的多樣化架構，結構多樣性受到了限制。最廣泛研究的過程是嵌段共聚物的納米相分離，在有趣的長度尺度上創建有序結構。然而，從嵌段共聚物中得到的結構范圍有限，而且沒有缺陷的有序結構的單疇尺寸也有限。指定目標有序結構的另一個直接策略是設計具有特定鎖和鍵交互的構建塊。著名的例子有DNA、多肽、蛋白質或其他生物大分子系統。該策略通常需要具有特定對稱性和功能化的剛性構件。需要各種尺寸和對稱的剛性形狀的構造塊。在過去的二十年中，人們付出了巨大的努力來開發和探索具有不同結構和非共價相互作用的新穎和復雜的構建塊的自組裝。實現了形狀尺寸為2 nm-100 nm的球形、圓盤狀、棒狀和多面體形狀的構件塊。此外，這些有趣的構件塊的共軛物，如傳統的聚合物線圈和樹狀大分子，也已經成為實現前所未有的有序結構和創新材料設計的簡易構件塊。

【成果簡介】

近日，在阿克倫大學、華南理工大學程正迪教授和華南理工大學黃明俊教授團隊（共同通訊作者）帶領下，從結構工程的角度綜述了高分子、樹狀大分子、分子納米顆粒、膠體、DNA和蛋白質等大分子的自組裝，重點介紹了周期性和準周期性的自組裝結構。特別是，簡單的構建塊可以結合在一起，構建具有不同結構和物理相互作用的復雜大分子基序。首先介紹了結構工程的概念，然后簡要介紹了超分子相互作用和五個主要類別的構建塊，包括聚合物線圈、樹突、棒、盤和多面體。進一步討論了15種不同結構建塊的特定大分子基序的自組裝行為。特別關注大分子自組裝的結構效應。最后，簡要介紹了結構工程的發展前景。該成果以題為“The role of architectural engineering in macromolecular self-assemblies via non-covalent interactions: A molecular LEGO approach”發表在了Prog.Poly. Sci.上。

【圖文導讀】

圖1?各種第I類和第II類構建塊的匯總圖

圖2 使用兩種類型的構建塊之一構建大分子基序的策略

該圖說明了使用兩種類型的構建塊之一構建大分子基序的策略。 I型構件包括聚合物線圈和樹突。II型構造塊包括多面體、圓盤和棒。雙頭箭頭上方列出了由兩種類型的構件構成的大分子基序。

【小結】

自從提出大分子假說以來，聚合物科學的發展經歷了一次大繁榮，建立了長鏈分子的合成方法和從理論上理解長鏈連通性后果的方法。聚合物的物理性質，如抗拉強度、沖擊強度和彈性已被很好地了解。與此同時，柔性聚合物線圈已經成為軟物質和復合材料中納米結構制備的重要組成部分。越來越多遵循復雜設計原則的復雜構件被添加到大分子自組裝的結構工程工具箱中，形成了豐富的有序結構。采用“大分子LEGOs”方法，開發了具有不同結構的剛性納米構建塊，包括棒、盤和多面體，以探索新的層次結構和更好地控制自組裝過程。即使在結構表征技術和計算機模擬的幫助下，研究仍然處于完全控制大分子自組裝的早期階段。展望未來，在將其應用于創新材料設計之前，還需要解決結構工程中的一些挑戰。首先是通過納米結構單元的復雜設計和工程來進一步擴大“大分子LEGOs”的庫存。第二個挑戰絕對是基于組合構造塊的結構工程來操縱分層2D或3D結構。最后，我們必須面對的問題是，這些前所未有的自組裝結構可以衍生出什么樣的令人興奮的性質，以及如何制造相應的納米結構材料來實現特定的生物、力學、電、磁或光學功能。

文獻鏈接：The role of architectural engineering in macromolecular self-assemblies via non-covalent interactions: A molecular LEGO approach（Prog.Poly. Sci.， 2020，DOI:10.1016/j.progpolymsci.2020.101230）

本文由木文韜翻譯編輯。

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