復旦「人造分子」成果登《科學》:讓納米粒子簡易拼接如樂高

高中化學告訴我們,分子是由原子通過共價鍵連接而成的。化學家們仿照這一點,用無機納米粒子代替原子,鍵合成的「人造分子」雖然比真實的化學分子尺寸要大上許多,但也呈現出豐富多樣的材料特性。

要像搭積木一樣搭分子,傳統的方法是給納米粒子貼上類似於榫和卯的互補結構,難度高,效率低,因此很難量產。

復旦大學高分子科學系、聚合物分子工程國家重點實驗室教授聶志鴻團隊近日提出了一種新的「人造分子」制備方法,給納米粒子塗上一層聚合物,利用化學反應控制它們「變」出互補結構,仿佛一團毛線般按照特定的形狀糾纏在一起。

相關論文發表在9月11日的世界頂級學術期刊《科學》(Science)上,題為《化學計量反應控制下的自限性納米粒子定向鍵合》(Self-limiting Directional Nanoparticle Bonding Governed by Reaction Stoichiometry)。

分子絕非原子在數量上的簡單加法,講究結構和方向。原子因其核外電子的排布情況,天然具有特定的互補結構。而人造無機納米粒子沿空間各個方向的性質等同,因而容易隨意連接堆積。

傳統制備方法是在納米粒子上定點修飾一段DNA分子作為功能基團,利用DNA分子之間的互補相互作用,調控不同納米粒子結合,正如給納米級別(1納米為10的負9次方)圓球上貼上榫卯結構。雖然這種方法可以實現從二聚體到三維晶格的受控超結構,但操作困難,效率低下。

聶志鴻團隊發明了一種更為簡便的結合方法,在突破「人造分子」的量產瓶頸方面走出了富有希望的一步。

簡單來說,不同於精心雕琢過的DNA分子,該研究團隊選擇給它們穿上一層「毛衣」,即具有互補結構的聚合物,難度要小很多。當然,此時的納米粒子依然是個均勻的圓球。

接着,利用特定的化學計量反應,原本均勻塗滿納米粒子表面的聚合體會大變身,聚合物的鏈構象與電荷排布產生變化,整個「圓球」不再是各向同性,獲得了沿特定方向結合的趨勢。

其中,聚合物配體的長度控制着結合,而靜電斥力控制着結粒子的排布,在雙重作用下,研究人員就能將「人造分子」調節成想要的形狀。在掃描電子顯微鏡下,這些「人造分子」仿佛被裹在一團以一定規律糾纏的「毛線」里。

復旦「人造分子」成果登《科學》:讓納米粒子簡易拼接如樂高

(A)典型的硼(B)和氟(F)原子結構以及BF3的分子結構。 (B-F)納米粒子反應形成BF3型 「人造分子」的過程圖示(B);不同反應時間下,產物的掃描電子顯微鏡照片(C); 「人造分子」產率統計分布隨反應時間變化(D); 不同反應時間,所得 「人造分子」內鍵角的統計分布(E);計算機模擬 「人造分子」的成鍵過程(F)。據復旦大學微信公眾號,聶志鴻團隊在高分子復合材料設計與醫學應用等相關研究領域已取得了一系列成果。例如,通過帶電聚合物配體誘導兩種無機納米粒子重復交替排布,獲得類似尼龍66交替共聚物的線型鏈結構,並闡明其鏈增長過程與對應分子體系的交替共聚有相似的動力學和熱力學機理。

人造分子可能在傳感、催化、超材料和光電器件等領域孕育出有價值的新材料。下一步,聶志鴻團隊將着力於程序化構建更為復雜多樣的「人造分子」,深入研究各種納米「人造分子」材料的物理性質,同時,團隊也將關注新材料的智能化響應問題,提升材料的可控性。

來源:cnBeta