“造小”的藝術，用分子構筑新材料

來源：人民日報

作者：張琦、伯納德·費林加

近期，中國與荷蘭科學家合作完成的一項新成果發表在《自然·化學》雜志上：研究團隊首次在實驗室中成功合成出具有明確內外雙層螺旋結構的動態高分子。這一分子結構的設計靈感源自上海中心大廈的獨特建筑形態，分子高度僅幾十納米、直徑僅2納米，相當于將632米高的摩天大樓縮小至約10億分之一，是人類頭發絲的800萬分之一。實驗表明，該材料展現出類似天然蛋白質的動態行為，可隨溫度變化伸縮、在特定條件下完全解旋，并最終降解為人體可吸收的小分子，無殘留風險，這為仿生智能材料的研發開辟了新路徑。

螺旋聚合物和上海中心大廈結構示意圖

從建筑奇觀到功能材料

該研究由華東理工大學費林加諾貝爾獎科學家聯合研究中心完成。2019年，研究團隊在參觀上海中心大廈時受到啟發。該大廈于2016年建成，是目前中國第一高樓、世界第三高樓，以多項創新技術在超高層建筑史上具有里程碑意義。研究團隊特別注意到，其獨特的內外雙層螺旋外觀不僅賦予建筑獨特的空氣動力學穩定性，也令人聯想到生命體系中的螺旋結構，如DNA和某些蛋白質。由此，研究團隊提出一個科學設想：能否在非生物體系中，通過化學合成手段構建具有類似幾何特征和動態功能的人工高分子？

生物體內的螺旋高分子承擔著信息存儲、結構支撐或催化等關鍵功能，其精密構型被認為是“生命密碼”的物理載體。然而，數十年來，化學家雖然能合成出螺旋結構高分子，但往往基于難降解、難回收的剛性骨架，不具備天然螺旋高分子一樣的動態功能。

此次研究團隊從最基礎的小分子出發，嘗試將氨基酸、二硫鍵等天然的、與生物相容的“分子積木”，通過動態可逆的化學鍵連接起來，構筑出穩定的螺旋構象。不過，早期設計的分子僅靠氫鍵等弱相互作用維持螺旋，一旦受熱或環境變化，結構便迅速“坍塌”。

經過反復試驗，研究團隊終于找到了關鍵突破口：將動態共價鍵（特別是可逆的二硫鍵）與剛性氨基酸骨架巧妙結合，使螺旋結構既具備柔韌性，又能穩定存在。研究發現，該高分子像彈簧一樣，在加熱時可伸展，冷卻后恢復螺旋；在堿性環境下，二硫鍵斷裂，整個結構在可控范圍內可解聚為原始小分子，成為人體代謝通路中的常見組分——氨基酸和二硫小分子。

這一成果在生物功能材料方面展現出應用潛力。由于具備優異的力學柔韌性、生物相容性及完全可降解性，該材料有望成為下一代可穿戴或可植入醫療器件的理想基底。例如，在柔性神經接口、靶向藥物遞送系統或組織工程支架中，它既能適應體內復雜力學環境，又可在完成使命后安全代謝，避免傳統高分子材料長期滯留引發的炎癥或毒性風險。

從納米技術到分子工廠

化學研究的核心使命之一，是在物理規律與生命現象之間架設橋梁。從宇宙大爆炸后的無機小分子，到今天能夠思考、創造的人類，大自然僅用20種氨基酸和4種堿基作為“序列密碼”，就書寫了一部從“小”到“大”、從無序到有序的演化史詩。

在自然萬物中，“小”并不等于“簡單”。以水為例：單個水分子僅由一個氧原子和兩個氫原子構成，但當大量水分子在低溫下通過氫鍵有序排列時，可形成蜂窩狀六邊形網絡，進而凝結為冰晶。據估算，雪花可能的形態組合高達10158種——這一數字遠超可觀測宇宙中的原子總數（約1080個）。這種從簡單基元涌現出的極致復雜性，或許正是水能成為“生命搖籃”的關鍵所在。

這種“小”的奧妙，啟發了一代代科學家。他們通過一次次精妙的分子設計，完成了很多重要的發現和發明。1959年，物理學家理查德·費曼在《底部還有很大空間》的演講中預言：人類能夠從單個原子或分子出發進行組裝，以構建具有特定功能的物質，并在一個極小的尺度操作和控制物體，將會產生應用前景極其廣闊的技術——這被廣泛認為是納米技術的理論起源。

之后，隨著現代顯微成像技術的發展和成熟，人類逐步獲得“看見”并操縱單個原子的能力。上世紀80—90年代，法國科學家索瓦日、英國科學家司徒塔特相繼合成出機械互鎖型分子結構，這些分子能夠在納米尺度下像機器一樣發生線性穿梭運動，因此被稱為“分子機器”。1999年，費林加研制出首個光驅動“分子馬達”（即可以繞軸定向旋轉運動的分子機器，尺寸不足2納米），隨后又開發出能在金屬表面定向移動的“分子車”，該分子車由4個分子馬達作為“車輪”，能夠像汽車一樣直行、轉彎和剎車。三人因在分子機器設計與合成方面的開創性貢獻，共同獲得2016年諾貝爾化學獎。

近年來，費林加團隊進一步將“分子馬達”嵌入金屬有機框架中，實現對氣體分子的光控捕獲與釋放，相當于在固態材料內部構建了微型“分子工廠”。未來，此類系統有望用于精準藥物遞送或環境污染物清除。

從研發設計到更多應用

“造小”的藝術，因應著人類社會的多種需求。2023年諾貝爾化學獎授予了“量子點的發現與合成”，也是“造小”的典范。科學家通過將無機半導體顆粒尺寸縮小至1—20納米范圍，使其電子運動受限于極小空間，從而產生顯著的量子限域效應——此時，材料的光、電、磁等物理性質不再僅由化學成分決定，而是強烈依賴于顆粒尺寸。這類極小的量子點可以精準調控其光電性質，在器件、催化、傳感、信息等方面展現重要應用前景。目前基于量子點技術的顯示技術（OLED）已進入量產階段，相比傳統有機發光二極管，展示出高亮度、廣色域等優勢。

2025年，諾貝爾化學獎授予金屬有機框架材料領域，也可以認為是“造小”的藝術。研究人員通過金屬離子與剛性棒狀分子的框架組裝，制造出具有特定幾何尺寸的三維孔道結構，而這些孔道的孔徑只有幾納米，因此可以對特定尺寸的氣體分子展現選擇性的吸附特征，實現工業氣體的富集、儲存和分離等功能應用。目前，基于金屬有機框架材料的空氣取水裝置已在非洲干旱地區試點應用，每公斤材料每日可從低濕度空氣中捕獲數升淡水，為解決水資源危機提供新方案。

在信息科技領域，分子機器也擁有巨大的應用潛力。司徒塔特團隊曾于2007年演示了一種基于分子穿梭運動的存儲器件，可利用分子機械互鎖結構實現分子級別的單向運動，并通過外部刺激（如光、熱或電場）控制分子狀態的切換，從而實現數據讀寫。理論上，這一分子機器芯片每平方厘米可存儲100GB數據。盡管尚處概念階段，但其突破現有硅基芯片存儲能力極限的前景令人期待。

在醫學領域，費林加團隊正致力于開發可在體內靶向清除病變細胞的納米機器人。理想狀態下，這類2納米大小的分子轉子（結構可旋轉的分子機器）可通過高速旋轉在癌細胞膜上打孔，實現精準殺傷。目前該技術的應用還存在一些技術瓶頸，比如如何使用穿透性更強的近紅外光驅動轉子，如何提升對病變細胞的識別特異性等。一旦實現突破，對于分子醫學研發也具有重要意義。

盡管“造小”技術日新月異，目前在研發和運用上仍面臨多重挑戰：原子級成像與操控設備成本高昂、適用場景有限；微觀世界的動態復雜性使得精準控制極為困難；從單一功能分子到集成系統的跨越需要長期積累。但我們相信，隨著人工智能輔助分子設計、自動化合成平臺和新型表征技術等發展，“造小”的藝術必將加速向規模化、工程化技術轉化。未來，這類材料有望在可持續能源、智能穿戴、精準醫療和環境治理等領域深度融入人類日常生活。