自然界存在許多能夠協同工作的天然分子機器，例如在人體的正常生理活動中，就需要各種分子機器的協同作用來完成細胞的自調控、表面蛋白的特異性識別和組織器官的生長等。對響應性材料和動態分子體系的研究是未來材料領域的一種重要發展方向。以往的研究主要是通過超分子材料、自組裝單層等材料的分子識別、結合和自組裝等功能製備新型材料。目前，通過功能性官能團或分子開關實現材料的外部控制（例如光控）逐漸成為研究熱點。然而，為了解決將分子發展為動態分子體系面臨的挑戰，材料的設計需要從單個分子尺度出發。同時，賦予材料感知能力，自驅動性和適應性也是更為複雜的挑戰。
運動是指能夠隨環境改變而產生位移的一種行為，它是響應性材料體系的一種非常理想的響應方式。相對於目前的刺激響應性高分子材料，超分子自組裝材料由於分子間的非共價鍵鏈接，具有可重構、高適應性和功能可切換的優點。圖1展示了一種超分子肌肉的特點，它將分子尺度的運動轉化為了宏觀的機械能。這種超分子肌肉能夠在水相中自組裝並完成特定的刺激響應。
這種材料的製備包括兩個步驟，首先帶有親水和疏水取代基的分子馬達通過在水相中自組裝成單根膠束。隨後引入鈣離子和剪切力作用，使膠束取向組合為捆狀宏觀膠束。通過紫外光驅動，這種材料能夠如同肌肉一樣輸出機械功（圖1a）。同時它的驅動速度還能通過改變配對離子來調節。由於這種材料是通過單個分子的自組裝形成，組裝體尺寸可以調控，再加上其優異的自適應能力，使其在下一代肌肉類材料製備方面具有巨大潛力。
圖1 左圖為分子馬達自組裝體系形成和驅動過程的示意圖。右圖（a）自組裝膠束在紫外光照射下的驅動行為實物圖；（b）不同配對離子對自組裝膠束驅動速度的影響。
機遇和挑戰（1）官能團的合成：研究重點應該從結構和合成轉向官能團的合成，合成出多官能團、多成分的分子體系，賦予分子更多的響應性。（如光、熱、溼度和pH等）（2）催化材料：儘管目前的催化劑材料研究方面取得了巨大進展，但對於調控分子組裝和性能的催化劑材料仍是一個難點。（3）自組裝：功能性分子的自組裝結構極大的影響其作為材料的性質，製備多種成分、多功能並且能夠用於製備宏觀器件的自組裝結構非常重要。（4）分子擾動到宏觀形變的轉化：感應刺激並驅動材料需要將分子尺度的響應放大為宏觀形變。研究能夠通過協同效應將分子信號轉化為宏觀響應的材料體系。（5）驅動、寫入與傳感：結合目前已有的自組裝體系、分子開關和功能性分子，設計和製備具有感應、與外界交流和自適應能力的新型材料。
（6）信息處理：將分子材料和分子行為過程作為信息載體和信息寫入體系有望為新材料的設計提供新方向。（7）反饋迴路與自修復機制：模擬生物體的機制，設計複雜的分子反饋迴路有望在生物化學等領域提供新思路。作者介紹
Ben L. Feringa，荷蘭格羅寧根大學教授，研究方向主要包括立體化學、有機合成、不對成催化、分子開關和分子馬達、光藥理學、自組裝結構和納米體系。1999年，Feringa教授團隊在Nature發文，首次合成出能夠在光熱交替刺激下發生360度旋轉的分子馬達。隨後該團隊在分子馬達的結構調整、機理研究等方面做出系統研究，並將分子馬達推廣到光子晶體制備、不對稱催化、自組裝體系構建和表面改性等多個領域。由於在分子馬達合成方面的突出貢獻，Feringa教授於2016年獲得諾貝爾化學獎。
參考文獻：
F. K. C. Leung, T. van den Enk, T. Kajitani, J. Chen, M. C. A. Stuart, J. Kuipers, T. Fukushima, B. L. Feringa, J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 17724.
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201906416
---納米纖維素找北方世紀---
“高分子科學前沿”彙集了20萬高分子領域的專家學者、研究/研發人員。我們組建了80餘個綜合交流群（包括：教師群、企業高管群、碩士博士群、北美、歐洲等），專業交流群（塑料、橡塑彈性體、纖維、塗層黏合劑、油墨、凝膠、生物醫用高分子、高分子合成、膜材料、石墨烯、納米材料、表徵技術、車用高分子、發泡、聚酰亞胺、抗菌、仿生、腫瘤治療）。
我們的微博：高分子科學前沿，歡迎和我們互動。
我們的QQ交流群：451749996（務必備註：名字-單位-研究方向）
投稿 薦稿 合作：[email protected]
閱讀更多 高分子科學前沿 的文章
