Prog.Poly. Sci.：通过非共价相互作用（大分子LEGO法）的结构工程在大分子自组装中的作用

【引言】

近年来复杂大分子自组装的合成与表征研究进展，揭示了大分子自组装的体系结构和非共价二次相互作用的作用机理。通过高分子结构与二次相互作用的结合来控制高分子自组装过程，被称为“结构工程”。针对不同类型的大分子，如嵌段共聚物、树枝状大分子、大分子、胶体、生物大分子等，分别综述了大分子自组装的结构效应和非共价的分子内/分子间相互作用。已经做了大量的工作来发展各种层次有序的结构。然而，由于缺乏可用的多样化架构，结构多样性受到了限制。最广泛研究的过程是嵌段共聚物的纳米相分离，在有趣的长度尺度上创建有序结构。然而，从嵌段共聚物中得到的结构范围有限，而且没有缺陷的有序结构的单畴尺寸也有限。指定目标有序结构的另一个直接策略是设计具有特定锁和键交互的构建块。著名的例子有DNA、多肽、蛋白质或其他生物大分子系统。该策略通常需要具有特定对称性和功能化的刚性构件。需要各种尺寸和对称的刚性形状的构造块。在过去的二十年中，人们付出了巨大的努力来开发和探索具有不同结构和非共价相互作用的新颖和复杂的构建块的自组装。实现了形状尺寸为2 nm-100 nm的球形、圆盘状、棒状和多面体形状的构件块。此外，这些有趣的构件块的共轭物，如传统的聚合物线圈和树状大分子，也已经成为实现前所未有的有序结构和创新材料设计的简易构件块。

【成果简介】

近日，在阿克伦大学、华南理工大学程正迪教授和华南理工大学黄明俊教授团队（共同通讯作者）带领下，从结构工程的角度综述了高分子、树状大分子、分子纳米颗粒、胶体、DNA和蛋白质等大分子的自组装，重点介绍了周期性和准周期性的自组装结构。特别是，简单的构建块可以结合在一起，构建具有不同结构和物理相互作用的复杂大分子基序。首先介绍了结构工程的概念，然后简要介绍了超分子相互作用和五个主要类别的构建块，包括聚合物线圈、树突、棒、盘和多面体。进一步讨论了15种不同结构建块的特定大分子基序的自组装行为。特别关注大分子自组装的结构效应。最后，简要介绍了结构工程的发展前景。该成果以题为“The role of architectural engineering in macromolecular self-assemblies via non-covalent interactions: A molecular LEGO approach”发表在了Prog.Poly. Sci.上。

【图文导读】

图1 各种第I类和第II类构建块的汇总图

图2 使用两种类型的构建块之一构建大分子基序的策略

该图说明了使用两种类型的构建块之一构建大分子基序的策略。 I型构件包括聚合物线圈和树突。II型构造块包括多面体、圆盘和棒。双头箭头上方列出了由两种类型的构件构成的大分子基序。

【小结】

自从提出大分子假说以来，聚合物科学的发展经历了一次大繁荣，建立了长链分子的合成方法和从理论上理解长链连通性后果的方法。聚合物的物理性质，如抗拉强度、冲击强度和弹性已被很好地了解。与此同时，柔性聚合物线圈已经成为软物质和复合材料中纳米结构制备的重要组成部分。越来越多遵循复杂设计原则的复杂构件被添加到大分子自组装的结构工程工具箱中，形成了丰富的有序结构。采用“大分子LEGOs”方法，开发了具有不同结构的刚性纳米构建块，包括棒、盘和多面体，以探索新的层次结构和更好地控制自组装过程。即使在结构表征技术和计算机模拟的帮助下，研究仍然处于完全控制大分子自组装的早期阶段。展望未来，在将其应用于创新材料设计之前，还需要解决结构工程中的一些挑战。首先是通过纳米结构单元的复杂设计和工程来进一步扩大“大分子LEGOs”的库存。第二个挑战绝对是基于组合构造块的结构工程来操纵分层2D或3D结构。最后，我们必须面对的问题是，这些前所未有的自组装结构可以衍生出什么样的令人兴奋的性质，以及如何制造相应的纳米结构材料来实现特定的生物、力学、电、磁或光学功能。

文献链接：The role of architectural engineering in macromolecular self-assemblies via non-covalent interactions: A molecular LEGO approach（Prog.Poly. Sci.， 2020，DOI:10.1016/j.progpolymsci.2020.101230）

本文由木文韬翻译编辑。

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