南方科技大学深圳格拉布斯研究院是以小分子催化和大分子材料为核心科研领域的研究机构。近日，格拉布斯研究院大分子材料中心双聘教授、南科大化学系教授蒋伟课题组，制备了一种具有高度可拉伸性能的瞬态（耗散）水凝胶。该研究成果发表在化学领域顶级期刊《Nature Chemistry》上。

分子自组装是两个或多个分子自发地形成有序聚集体的过程，是通过分子之间的相互作用，形成更加复杂的结构，从而实现更加高级的功能。目前，绝大部分的人工自组装形成的是静态结构。然而，生物自组装体系通常是远离平衡态的，是需要不断地消耗外界能量来维持其结构以及相应的生物功能。这种耗散自组装体系广泛存在于大自然中，大到星系、生命体，小到构成细胞骨架结构的微管微丝等。耗散自组装材料具有自修复和动态适应性的特点，在智能材料领域具有广阔的应用前景。目前大部分已知的耗散自组装材料机械性能较差，不具备材料应用的可能性。

蒋伟课题组在过去六年的时间里，通过模拟生物受体的空腔特征，合成了一系列具有独特结构特征的大环主体分子，实现了生物分子识别和自组装的仿生模拟（JACS 2016, 138, 14550; JACS 2017, 139, 8436; JACS 2018, 140, 13466; Angew. Chem. 2018, 57, 709; Angew. Chem. 2018, 57, 7809; JACS 2019, 141, 4468）。这类大环主体与其他已知的大环主体，在结构和性能上形成了互补，为超分子化学提供了新的研究工具。其中，他们合成的内修饰分子管能够在水中有效地识别极性分子，并被应用于持久性环境污染物的检测、不对称催化反应产物ee的测量、非荧光分子反应动力学的荧光监测等领域。

 

 

水凝胶形成的示意图

 

在近期的研究中，蒋伟课题组发现酰胺内修饰分子管能够穿到聚乙二醇的高分子链上，形成一个像项链一样的多聚假轮烷结构。每个分子管具有四个羧酸根，能够与金属离子配位。当加入铜离子时，多聚假轮烷就会通过链间配位交联，形成一个不能自由流动的水凝胶结构。然而，该水凝胶不稳定，又会逐渐变为自由流动的溶液。通过摇动，该溶液又能转化为水凝胶。这说明该水凝胶是耗散自组装的结果，需要摇动产生的剪切力作为燃料（fuel），以维持其结构。通过多种实验表征手段和计算化学，他们揭示了该体系的工作原理：水凝胶的形成是由于剪切力诱导的链内配位到链间配位模式的转化而导致的。

 

该瞬态水凝胶具有非常优异的拉伸性能，至少能被拉伸至其初始长度的30倍。在拉伸过程中，分子管能够在聚乙二醇高分子链上“摩擦”滑动。这种“分子滑轮”结构有利于耗散拉伸应力，故而展现出较好的拉伸性能。此外，该水凝胶还可以在摇动条件下实现快速自修复。该研究为构建耗散自组装材料提供了新的思路，在智能材料领域具有潜在的应用前景。

水凝胶的拉伸性能与工作机理

 

该研究的实验工作主要由柯华博士完成。前沿与交叉科学研究院研究助理教授杨留攀博士、博士生陈昭和姚欢、陆为课题组博士后谢默也参与了该项研究工作。

南方科技大学深圳格拉布斯研究院和化学系是该项研究的通讯单位，蒋伟为唯一通讯作者。

该成果是深圳格拉布斯研究院大分子材料中心2019年伊始所取得重大科研成就之一。随着研究院科研平台和科研团队建设的进一步完善，以及研究院与化学系等其他兄弟院系深入合作的展开，研究院将进一步提升催化化学、高分子材料化学及交叉学科的科研能力，涌现更多的科研成果。

该研究得到了国家自然科学基金“面上项目”和“优秀青年科学基金”、深圳市科创委项目、深圳诺贝尔奖科学家实验室项目等经费的支持，以及Christoph Schalley教授、黎占亭教授、陆为教授和Stephen Craig教授的帮助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-019-0235-8

 

 

 供稿：深圳格拉布斯研究院    化学系