PNNL ChunLong Chen、James De Yoreo Chem. Rev.综述：基于高信息量大分子的多级自组装材料

2022-10-27 来源：高分子科技

超分子自组装是分子通过分子间相互作用自发形成有序结构的过程。而多级自组装是分子从分子层面逐步组装成纳米尺度甚至到更高微米尺度的复杂结构的过程。加强对于多级自组装过程的理解有助于扩展超分子体系在仿生材料或者智能材料领域的发展。对于多级自组装材料，分子层次的结构会对下一级别的组装体产生很大的影响，所以选择合适的构筑基元至关重要。自然界中存在很多高信息量的大分子，比如说蛋白质，多肽等。决定这些大分子的结构以及相互作用的信息可以通过基本单元序列排列的不同被编码进这些大分子的链段中，最终形成大自然中形形色色的复杂功能化多级自组装体。对于这些复杂组装体的研究为科学家们开发高效、经济的新型仿生材料提供了范式与蓝图。

近日，美国西北太平洋国家实验室Chun-Long Chen和James De Yoreo教授与华盛顿大学Francois Baneyx教授等合作发表综述文章，系统地总结了最近在基于高信息量大分子的多级自组装方面的工作（图1），并且从设计思路和表征出发，专注于刺激响应性和智能化材料的架构。同时，这篇综述还总结了利用计算模拟和大数据预测系统地阐释了大分子的侧链化学和构象如何推动有序的出现和获取多级结构，以及离子，溶剂和表面效应如何影响组装的结果。

图1. 基于高信息量的大分子的多级自组装材料。

首先，作者介绍了高信息量大分子在构筑多级自组装材料领域中遇到的问题：1）目前对于将分子的链段和化学结构转化为分子间的相互作用力，进而导致有序结构的形成了解较少；2）对于用coarse-grain (CG)模型预测组装结果，虽然确定了原子层面的相互作用，但对于自组装时间和尺度方面的精准预测仍然不能达到；3）对于分子间的相互作用，溶剂，电荷以及单独的构筑基元如何控制其多级结构出现过程的能量变化了解不多；4）对于自组装过程中的亚稳态结构的预测还很难达到，从而无法有效预测在外部刺激下达到的非平衡态的组装体。

图2. 蛋白质的多级自组装的构筑

作者对有助于帮助解决上述问题的近期工作进行了总结，从蛋白质，多肽，以及人工合成的类肽这些高信息量的大分子出发，分别从以下三个部分进行综述：

第一部分是集中在多级材料的构筑方面，主要强调了构筑基元的设计，分子层面相互作用如何导致多级结构的出现，以及如何对自组装过程和结果进行表征，如图2；

第二部分是如何对组装体进行动态干预，即通过外部刺激来构筑响应性的多级材料，如图3；

第三部分是系统性地总结了如何通过理论框架和大数据算法来预测组装结果，如图4。

图3. 基于多肽的光响应性多级自组装

最后，作者概述了该研究领域目前面对的挑战以及未来的研究展望：首先，目前高信息量大分子的构筑基元主要是线形分子，未来也可以研究利用具有不同拓扑学结构的分子，如星形、支状大分子，或者分子结和机械互锁的分子作为构筑基元设计多级组装体；其次设计三级及以上的更加复杂的多级结构仍然是个难点；再次，无机组分的引入可以为多级自组装引入复杂有趣的功能性质，如催化，光电，磁性等。然而对高信息量分子和无机组分之间的相互作用了解不够深入，阻碍了这类材料的发展；最后，需要解决如何预测组装体有序的出现，以及如何深入了解溶液和界面对于自组装结果和更高级组装体的生成这些问题。

图4. 多级自组装结构的预测

本文旨在让读者全面了解基于高信息量的多级材料，激发人们对于一些悬而未决问题的研究，进一步模仿自然界系统的简洁性，高效性和多功能性。成果以“Hierarchical Materials from High Information Content Macromolecular Building Blocks: Construction, Dynamic Interventions, and Prediction”为题发表在Chemical Reviews（DOI: 10.1021/acs.chemrev.2c00220）上。第一作者是西北太平洋国家实验室的博士后邵丽，目前在浙江理工大学担任百人计划青年拔尖人才，共同第一作者分别是华盛顿大学的博士生Jinrong Ma, Jesse Prelesnik, 以及西北太平洋国家实验室的博士后Yicheng Zhou。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.2c00220

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（责任编辑：xu）

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