引领超分子聚合物发展之人—Takuzo Aida

【引言】

人工合成聚合物在技术发展和日常生活方面如今都扮演着必不可少的角色。这类大分子材料，在传统意义上来说是由较小的分子构建单元通过共价键连接而成。而对于新型的超分子聚合物来说，其构建单元则可以通过非共价键如氢键或者静电作用进行结合，从而形成链式产物或者定向纤维片段。这种非共价结合聚合物的概念在有机生物系统中非常常见，例如细胞骨架中的蛋白单体定向纤维片段，需要通过非共价的动态结合和解聚来完成重要的细胞功能。在东京大学的Takuzo Aida等人的努力下，超分子聚合物的合成平台已经在从生物到医学的多个领域发挥着重要的作用。

上世纪七、八十年代，诺贝尔奖获得者J. M. Lehn基于聚合物主客体系统提出了“超分子化学”的完整概念，指出：“基于共价键存在着分子化学领域，基于分子组装和分子间键而存在着超分子化学”。然而，发展到目前，超分子的概念已经从纯粹的化学领域扩展到材料领域。在这其中，Takuzo Aida一直深耕超分子材料领域，为功能化超分子聚合物的发展做出了巨大的贡献。

作为工具的超分子聚合方法

作为传统共价聚合的替代，通过非共价键进行连接的超分子聚合如今已是科学研究和技术发展领域普遍使用的材料合成方法。在分子识别、分子自组装、超分子器件以及超分子材料等方向，超分子聚合都已经成为强大的制备工具和平台。围绕超分子聚合方法，“通过非共价方式来实现传统聚合物的功能究竟难易程度如何”长期以来都是最基本的问题。针对这一问题，经过近几十年的探索，已经发展出“立体选择/螺旋链超分子聚合”、“非共价嵌段共聚物合成”、“序列特异性超分子聚合”等手段方法^[1]。然而，近年来，各类超分子聚合方法的深入发展又使得包括Takuzo Aida在内的许多课题组重新思考超分子聚合的作用和意义。

20世纪80年代以来，Lehn和Meijer等人深耕非共价化学领域，并引入了胶体聚集的概念。研究人员认为，由氢键作用调控的小分子线性聚集（如超分子聚合物）是非常稳定的，即便在稀溶液中也能保持类共价聚合物的状态。基于此种观念，，研究人员进一步利用可结晶化单体自组装形成了形态良好的嵌段共聚物。^[2]这类研究为利用超分子聚合进行精准的大分子设计提供了新的途径。尽管如此，人们一直先入为主地认为超分子聚合遵循逐步生长的机理，却对于另一种超分子聚合机理--“非共价链生长聚合（Chain-growth mechanism）”关注较少。此外，由于是非共价结合，超分子聚合在不同条件下可能会使聚合物可逆回到单体状态。虽然特定的条件下单体可以自组装形成有序的聚合物，但这类聚合对于聚合物的长度和分子量的精确控制却是非常困难的。

2015年，Aida课题组在Science上发表题为“A rational strategy for the realization of chain-growth supramolecular polymerization”的文章^[3]，介绍了链生长聚合的基本原理和策略。研究人员发现在带硫烷基侧链的碗状烯烃类似物中，侧链上含有的酰胺基团能够形成分子内的环状氢键，能够生成单一稳定的单体并能够抑制分子间的相互作用，从而防止了单体间的自聚。这一亚稳态单体，在引发剂的作用下可以形成有序的超分子聚合物。接着，研究人员又设计合成了单体侧链氮原子甲基化的分子来作为引发剂。这类引发剂由于甲基化的作用，不会发生分子内氢键作用，同时保持了聚合活性的羰基作为能够发生反应的氢受体。研究人员将引发剂与亚稳态单体进行混合，引发剂的羰基与亚稳态单体之间通过分子间氢键作用生成二聚体，、再次暴露出来的新的羰基与之后的亚稳态单体再次反应，最终可控形成链式超分子聚合物。研究发现，当引发剂达到50当量至1000当量时，所得聚合物的PDI能够保持在1.2到1.3左右水平，说明对分子量能够实现控制。这一研究也为精准的高分子设计提供了新型的思路。

图1 超分子链生长聚合的单体-引发剂系统^[3]

热力学可逆性是超分子聚合的特点之一。利用这一特点，设计刺激响应性聚合物材料使得超分子聚合日益成为新兴的材料合成工具。这类超分子聚合物在温度升高时，常常表现出解组装现象。不仅是温度上升，额外加入能偶削弱单体间非共价键作用的“清除剂”分子也能够对超分子聚合物进行解聚。Aida课题组的研究人员利用温度和清除剂的协同作用，实现了对超分子聚合的程序化控制。^[4]该研究发现，含有带八个酰胺基团侧链的金属卟啉基单体（POR_Cu）能够通过π堆积和多价氢键作用组装形成一维聚合物，并且这一聚合物与作为清除剂的正己醇能够在十二烷基溶剂中呈现出高度热稳定性，其可高度稳定存在的温度上限甚至可以达到110℃。在50℃左右，通过竞争性氢键作用，清除剂能够将单体锁定成聚合形式；而当温度从50℃开始冷却时，清除剂倾向于进行自组装，从而解锁单体，趋于解聚。而当加热时，与清除剂的偶极和氢键作用被扰乱，使得聚合物也倾向于解聚。这一现象与共价聚合物的“高/低临界溶解温度”现象相似，因此这种温度/清除剂协同作用为设计具有复杂温敏性质的超分子聚合物提供了可能性。

图2 温度双信号超分子聚合^[4]

可愈合聚合物的愈合机制基本可分为内源性和外源性两种。对于外源性机制，单体和引发剂被分别装载，一旦聚合物网络被破坏，这些单体和引发剂才会被混合形成新的聚合物链，修复断裂部分。这种外源性愈合机制非常有效，但是材料被修复次数却极其有限。与此相反，内源性机制则依靠动态共价键识别或者非共价作用，其可愈合作用可以多次实现。一般而言，非晶高分子量聚合物因为聚合物长链的纠缠可以形成力学强大很高的材料，但是这类材料一旦断裂，长链的重塑需要的时间过长，常常难以修复。而对于低分子量聚合物来说，由于其连接方式取决于非共价作用，愈合能力高的聚合物氢键密度高，但是脆性也会随之提高。总而言之，以往研究发现，愈合能力和力学强度往往不可兼得。

Aida课题组^[5]在2018年报道发现poly(ether-thioureas)如TUEG₂ 以及 TUEG₃，在含有大量带氢键硫脲单元的情况下，依然能够异常形成无定形材料。这种材料不仅表现出优异的机械强度，还能通过压缩断裂面进行修复过程。研究人员发现，由氢键相连的硫脲阵列是非线性的，因此无法引发晶化。而在该类聚合物表现出缓慢扩散动力学的同时，其断裂部分又能在受到压力时进行合并并承受住300g的载荷。针对这一现象，研究人员认为在这类高力学强度的聚合物中还能表现出优异的愈合性能，主要是因为出现了带氢键硫脲交换等链段移动现象，导致断裂处受到压力时聚合物链相互贯穿交流。而硫脲对中的氢键交换应该比聚合物的流动弛豫要快很多，因此即便聚合物在冷冻状态下也能够在几小时进行愈合。

图3 聚合硫脲衍生物在压缩状态下的愈合行为^[5]

类似于树枝状分子，芳香族分子具有非平面结构以及构象灵活的特点，因此在固体状态下是非晶化的。Takuzo Aida等人^[6]发现可以利用Py₆Mes这一新型分子构建复杂的多孔分子晶体。Py₆Mes结构中，作为内核的三甲基苯的甲基基团和亚苯环之间存在巨大的空间排斥效应。研究人员发现，Py₆Mes在乙腈中非常容易沉淀，形成多孔晶体Py^open，可以在其纳米孔中包含溶剂分子。通过Py₆Mes中的楔形结构，构建了C–H···N键连的双层屋顶-楼板超分子结构。而在这结构的正交方向上，Py₆Mes的楔形结构与甲基内核由于疏溶剂作用构建了墙形结构。相比起氢键，C–H···N键更加不稳定，但是由于这类键的作用由色散力提供，所以C–H···N在绝缘体介质中反而能够存在。因此，Py^open具有优异的热稳定性。这项研究也说明，利用简单的分子可以利用超分子聚合方法构建复杂的结构。

图4 C–H···N键连的双层超分子结构^[6]

有序媒介中的聚合反应能够设计制备复杂的结构，因此越来越受到人们的关注。但是在有序媒介中进行超分子聚合的研究直到近年才开始新兴起来。一般来说，不同形状分子如碟状分子和棒状分子无法进行共组装行为，相反地，碟形分子倾向于堆叠成一维状，而棒状分子则会平行排列。在Aida课题组的最新研究^[7]中，研究人员在由棒状分子^OCBRod组成的向列型液晶中实现了碟状手性分子单体的超分子聚合。该研究从手性掺杂剂是否能够驱动向列型介观相向胆甾介观相进行转变的角度入手，选择碟形的benzenetricarboxamide（BTA）类似物^OCBDisk_NH*单体作为可超分子聚合手性掺杂剂，与^OCBRod进行混合，在热处理的条件下可以形成以柱状相液晶为特征的扇形显微纹理。因此，在向列型液晶中进行超分子聚合能够引发介观相转变，并促使高度复杂、核壳柱状共组装的形成。研究进一步分析认为，当超分子聚合物和液晶介质具有很强的亲和性时，聚合物在液晶中可以均一分散。而当亲和性很差时，聚合物分子会与液晶发生相分离而成束存在。研究人员还发现这一新型液晶材料还能快速响应外加电场而呈现单向的柱状排列，利用光可异构化棒状分子模块还可以定制可光电响应的液晶材料。这一工作不仅表明超分子聚合可以调控高分子液晶相变，还验证了模块化策略可以赋予复杂动态结构以协同性的功能。

图5 超分子聚合引发的液晶介质相转变^[7]

作为材料的超分子聚合物

超分子聚合取决于分子间作用，基于这类非共价键，发展出了超分子化学、分子识别和主客体化学等新兴体系。围绕超分子体系，人们发展了包括超分子光电体系、基于金属-离子簇杂化超分子体系、微纳粒复合体系、精准动态组装体系以及蛋白质组装体系等许多新型材料。

在超分子材料化学和科学中，纳米管体系也是十分重要的研究方向和新兴热点。然而，将小分子自组装成低对称性中空组件一直是非常艰巨的挑战。除此之外，中空纳米管和纳米纤维虽然一般被认为都是一维组件，但是实际上纳米管是由二维纳米片滚卷成形的。因此，通过改变自组装条件来控制纳米管壁层数，能够影响一维纳米材料的属性，也是亟待解决的问题。

Aida课题组的研究^[8]设计了利用自组装中疏溶剂/亲溶剂效应来控制纳米管结构的方法。该组成员选择以两亲性的hexa-peri-hexabenzocoronene（HBC）作为分子平台。HBC分子曾被报道可在极性溶剂中自组装形成单壁碳纳米管。利用这一点，研究人员设计了以及 ^FHBC^*，在HBC内核的一边含有全氟烃基片段，与内核另一边的十二烷基相互排斥。全氟烃基片段在C₆F₆中是高度溶解的（亲溶剂效应），因此组装形成单壁碳纳米管。而在CH₂Cl₂它溶解性较低（疏溶剂效应），会组装形成多壁碳纳米管。由于^FHBC在CH₂Cl₂自组装比较缓慢，因此可以观察到“管中线圈”的结构，研究人员认为这一结构是纳米管壁逐步自由基生长的中间产物，其中的机制与现有报道的二维纳米片卷动形成纳米管的机理完全不同。

图6 ^FHBC自组装形成单壁/多壁碳纳米管的机制^[8]

一般而言，当手性分子（掺杂剂）加入到向列型液晶中时，液晶分子会进行轻微的几何扭曲产生螺旋阵列并转变为胆甾相液晶。而胆甾相液晶，因其具有螺距可以反射特定的波长，通过进一步改变掺杂剂的加入量可以使得这类液晶实现对可见光的反射。以往的研究报道已发现，通过电场等外源刺激可以调控反射颜色。然而以往的电场颜色可调液晶器件需要电力维持其功能，而Takuzo Aida^[9]等人设计报道了一种新型液晶器件，不仅发展扩大了反射颜色的波长范围，还能够在移除电力供给的情况下维持颜色记忆长达两个月之久。研究人员利用电泳沉积（EPD）的方法，将溶解在胆甾相液晶的离子手性掺杂剂进行沉积。当手性掺杂剂沉积后，液晶中的掺杂剂浓度减少，使得液晶螺距变长，因此能够引发反射波长的红移。这一新型方法可能为发展无需颜色过滤器的全色电子纸开辟了新的路径。

图7 可记忆反射颜色的胆甾相液晶器件^[9]

能够响应环境微小起伏波动的器件对实现更加持续化、低能耗致动器和电子系统具有非常巨大的帮助。Aida^[10]等人制备了一种可响应环境湿度进行自主操作的薄膜致动器。这种薄膜的主要组分是π堆积的氮化碳聚合物，是由胍碳酸盐的蒸气沉积聚合形成的。形貌表征显示薄膜是超轻、高度各向异性的层状结构。研究进一步表明，这种器件能够及时响应由环境湿度变化引起的微量水分子的吸附和解吸附行为（约为几百纳克每10平方毫米）。这一致动行为非常迅速（一次卷曲约耗费50毫秒），并且可重复10000次以上而没有退化迹象。在热/冷的辐射下，薄膜会失去吸附水分子的能力而发生快速卷曲，能够在材料表面进行超过10毫米的垂直跳跃行为。

图8 由氮化碳聚合物制备的高度取向薄膜^[10]

一维蛋白质组装体在自然界中是大量存在的，并且执行着重要的生物功能。例如，肌动蛋白作为蛋白质纤维支撑着细胞以维持其结构以及促使多种胞间输运过程成为可能。而在这类一维蛋白中，以肌动蛋白纤维为例，通过蛋白质辅酶因子如原肌球调节蛋白等键连到纤维末端作为封端剂来控制纤维长度。受此启发，在人工超分子系统中也常常利用封端剂来控制一维纤维的长度。然而，如何做到控制长度的同时依然能维持超分子纳米管如蛋白质纳米管的热动力学稳定性一直是超分子材料领域的难点和挑战。

Aida^[11]课题组曾经报道制备了基于分子伴侣蛋白GroEL_MC的一维纳米管材料，发现这类材料的长度会极大影响材料的细胞摄取效率。而GroEL的单环突变SR（Single-ring mutation）能够通过削弱GroEL中的盐桥作用来调整GroEL的长度和结构。利用这一现象，该课题组^[12]通过迈克尔反应用半胱氨酸突变体改性GroEL的单环突变，从而得到经过分子设计的双基因突变体SR_MC。这一分子设计蛋白由于衍生自GroEL，能够与GroEL进行结合，因此研究人员将SR_MC作为GroEL蛋白质管的封端剂。通过改变SR_MC与GroEL_MC的比例，可以控制GroEL_MC蛋白质的超分子聚合程度，从而调整蛋白质管的长度（调节范围从320nm到40nm）。研究进一步发现，当蛋白质纳米管的长度小于100nm时，其细胞摄取效率会显著提高。文章认为，该项工作为研究超分子材料的形貌尺寸奠定了基础。

图9 以SR_MC作为封端剂的GroEL_MC超分子聚合^[12]

受到蚯蚓等动物爬行行为的启发，研究人员设计制造了多种多样的蠕动爬行器，以期应用在各种特殊的环境和空间中。水凝胶，尤其是光响应性水凝胶，能够实现响应外界光刺激进行运动，从而达到可被远程操控的目的。尽管目前已有水凝胶致动器的报道出现，但这些机器的致动行为与水的吸收和释放有着密切的关系，因此存在着无法快速响应、重复性低等问题，无法满足爬行机器的性能要求。

近期，Takuzo Aida教授等人^[13]发表文章报道了一种新型的光响应水凝胶致动器。在此前的研究，研究人员成功制备了含有磁性钛酸盐纳米片的各向异性水凝胶。在该项研究的基础上，课题组又结合金纳米粒子，以聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPA，LCST= 32℃）为基质制备了圆柱形水凝胶。在这种水凝胶中，钛酸盐纳米片赋予水凝胶各向异性，能够使得水凝胶在垂直于纳米片平面的取向上迅速膨胀，其膨胀速度小于0.5s，形变长度达到原始长度的80%。当激光对水凝胶进行照射时，金纳米粒子利用光热转换效应使得水凝胶局部升温，由于PNIPA是温敏性物质，能够响应温度变化实现体积的膨胀和收缩。另一方面，由于纳米片的作用，光激发的水凝胶体积体积变化只能在一定方向上进行，从而实现水凝胶的定向运动。实验也证明，当激光照射点沿着圆柱凝胶轴移动时，水凝胶因为快速和规律的伸长/收缩行为，表现出蠕动爬行行为，且移动方向朝向激光扫描的相反方向。而当切换照射的扫描方向时，水凝胶则发生反向爬行。而当使用金纳米棒代替金纳米颗粒时，由于金纳米棒能够快速响应近红外光，因此可以使得复合凝胶致动器的响应运动行为变得快速而重复。研究认为，该种水凝胶有望应用于需远程操作的医疗设备中。

图10 光响应TiNS/AuNP水凝胶致动器^[13]

【总结】

Takuzo Aida教授课题组长期耕植于超分子化学领域，不仅深入研究了超分子化学机理和聚合方法，还发展了一系列结构精巧复杂的功能化超分子材料。该课题组的引领下，功能化超分子聚合物为新型材料的设计和发展提供了极具前景的合成平台，尤其是显著改善了材料的刺激响应性、环境适应性以及自修复性能。Aida教授等人^[14]也指出，深入开发纳米尺度超分子聚合物的功能以及超分子-无机杂化材料体系依然是重要的科研探索方向，在可持续系统、电子和健康卫生等领域也拥有潜在的应用价值。

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本文由nanoCJ供稿。

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