分子造物：前沿科技如何构建未来新材料
张 琦 伯纳德·费林加
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螺旋聚合物和上海中心大厦结构示意图。 资料图片
近期，中国与荷兰科学家合作完成的一项新成果发表在《自然·化学》杂志上：研究团队首次在实验室中成功合成出具有明确内外双层螺旋结构的动态高分子。这一分子结构的设计灵感源自上海中心大厦的独特建筑形态，分子高度仅几十纳米、直径仅2纳米，相当于将632米高的摩天大楼缩小至约10亿分之一，是人类头发丝的800万分之一。实验表明，该材料展现出类似天然蛋白质的动态行为，可随温度变化伸缩、在特定条件下完全解旋，并最终降解为人体可吸收的小分子，无残留风险，这为仿生智能材料的研发开辟了新路径。
从建筑奇观到功能材料
该研究由华东理工大学费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心完成。2019年，研究团队在参观上海中心大厦时受到启发。该大厦于2016年建成，是目前中国第一高楼、世界第三高楼，以多项创新技术在超高层建筑史上具有里程碑意义。研究团队特别注意到，其独特的内外双层螺旋外观不仅赋予建筑独特的空气动力学稳定性，也令人联想到生命体系中的螺旋结构，如DNA和某些蛋白质。由此，研究团队提出一个科学设想：能否在非生物体系中，通过化学合成手段构建具有类似几何特征和动态功能的人工高分子？
生物体内的螺旋高分子承担着信息存储、结构支撑或催化等关键功能，其精密构型被认为是“生命密码”的物理载体。然而，数十年来，化学家虽然能合成出螺旋结构高分子，但往往基于难降解、难回收的刚性骨架，不具备天然螺旋高分子一样的动态功能。
此次研究团队从最基础的小分子出发，尝试将氨基酸、二硫键等天然的、与生物相容的“分子积木”，通过动态可逆的化学键连接起来，构筑出稳定的螺旋构象。不过，早期设计的分子仅靠氢键等弱相互作用维持螺旋，一旦受热或环境变化，结构便迅速“坍塌”。
经过反复试验，研究团队终于找到了关键突破口：将动态共价键(特别是可逆的二硫键)与刚性氨基酸骨架巧妙结合，使螺旋结构既具备柔韧性，又能稳定存在。研究发现，该高分子像弹簧一样，在加热时可伸展，冷却后恢复螺旋；在碱性环境下，二硫键断裂，整个结构在可控范围内可解聚为原始小分子，成为人体代谢通路中的常见组分——氨基酸和二硫小分子。
这一成果在生物功能材料方面展现出应用潜力。由于具备优异的力学柔韧性、生物相容性及完全可降解性，该材料有望成为下一代可穿戴或可植入医疗器件的理想基底。例如，在柔性神经接口、靶向药物递送系统或组织工程支架中，它既能适应体内复杂力学环境，又可在完成使命后安全代谢，避免传统高分子材料长期滞留引发的炎症或毒性风险。
从纳米技术到分子工厂
化学研究的核心使命之一，是在物理规律与生命现象之间架设桥梁。从宇宙大爆炸后的无机小分子，到今天能够思考、创造的人类，大自然仅用20种氨基酸和4种碱基作为“序列密码”，就书写了一部从“小”到“大”、从无序到有序的演化史诗。
在自然万物中，“小”并不等于“简单”。以水为例：单个水分子仅由一个氧原子和两个氢原子构成，但当大量水分子在低温下通过氢键有序排列时，可形成蜂窝状六边形网络，进而凝结为冰晶。据估算，雪花可能的形态组合高达10158种——这一数字远超可观测宇宙中的原子总数(约1080个)。这种从简单基元涌现出的极致复杂性，或许正是水能成为“生命摇篮”的关键所在。
这种“小”的奥妙，启发了一代代科学家。他们通过一次次精妙的分子设计，完成了很多重要的发现和发明。1959年，物理学家理查德·费曼在《底部还有很大空间》的演讲中预言：人类能够从单个原子或分子出发进行组装，以构建具有特定功能的物质，并在一个极小的尺度操作和控制物体，将会产生应用前景极其广阔的技术——这被广泛认为是纳米技术的理论起源。
之后，随着现代显微成像技术的发展和成熟，人类逐步获得“看见”并操纵单个原子的能力。上世纪80—90年代，法国科学家索瓦日、英国科学家司徒塔特相继合成出机械互锁型分子结构，这些分子能够在纳米尺度下像机器一样发生线性穿梭运动，因此被称为“分子机器”。1999年，费林加研制出首个光驱动“分子马达”(即可以绕轴定向旋转运动的分子机器，尺寸不足2纳米)，随后又开发出能在金属表面定向移动的“分子车”，该分子车由4个分子马达作为“车轮”，能够像汽车一样直行、转弯和刹车。三人因在分子机器设计与合成方面的开创性贡献，共同获得2016年诺贝尔化学奖。
近年来，费林加团队进一步将“分子马达”嵌入金属有机框架中，实现对气体分子的光控捕获与释放，相当于在固态材料内部构建了微型“分子工厂”。未来，此类系统有望用于精准药物递送或环境污染物清除。
从研发设计到更多应用
“造小”的艺术，因应着人类社会的多种需求。2024年诺贝尔化学奖授予了“量子点的发现与合成”，也是“造小”的典范。科学家通过将无机半导体颗粒尺寸缩小至1—20纳米范围，使其电子运动受限于极小空间，从而产生显著的量子限域效应——此时，材料的光、电、磁等物理性质不再仅由化学成分决定，而是强烈依赖于颗粒尺寸。这类极小的量子点可以精准调控其光电性质，在器件、催化、传感、信息等方面展现重要应用前景。目前基于量子点技术的显示技术(OLED)已进入量产阶段，相比传统有机发光二极管，展示出高亮度、广色域等优势。
2025年，诺贝尔化学奖授予金属有机框架材料领域，也可以认为是“造小”的艺术。研究人员通过金属离子与刚性棒状分子的框架组装，制造出具有特定几何尺寸的三维孔道结构，而这些孔道的孔径只有几纳米，因此可以对特定尺寸的气体分子展现选择性的吸附特征，实现工业气体的富集、储存和分离等功能应用。目前，基于金属有机框架材料的空气取水装置已在非洲干旱地区试点应用，每公斤材料每日可从低湿度空气中捕获数升淡水，为解决水资源危机提供新方案。
在信息科技领域，分子机器也拥有巨大的应用潜力。司徒塔特团队曾于2007年演示了一种基于分子穿梭运动的存储器件，可利用分子机械互锁结构实现分子级别的单向运动，并通过外部刺激(如光、热或电场)控制分子状态的切换，从而实现数据读写。理论上，这一分子机器芯片每平方厘米可存储100GB数据。尽管尚处概念阶段，但其突破现有硅基芯片存储能力极限的前景令人期待。
在医学领域，费林加团队正致力于开发可在体内靶向清除病变细胞的纳米机器人。理想状态下，这类2纳米大小的分子转子(结构可旋转的分子机器)可通过高速旋转在癌细胞膜上打孔，实现精准杀伤。目前该技术的应用还存在一些技术瓶颈，比如如何使用穿透性更强的近红外光驱动转子，如何提升对病变细胞的识别特异性等。一旦实现突破，对于分子医学研发也具有重要意义。
尽管“造小”技术日新月异，目前在研发和运用上仍面临多重挑战：原子级成像与操控设备成本高昂、适用场景有限；微观世界的动态复杂性使得精准控制极为困难；从单一功能分子到集成系统的跨越需要长期积累。但我们相信，随着人工智能辅助分子设计、自动化合成平台和新型表征技术等发展，“造小”的艺术必将加速向规模化、工程化技术转化。未来，这类材料有望在可持续能源、智能穿戴、精准医疗和环境治理等领域深度融入人类日常生活。
(作者分别为华东理工大学化学与分子工程学院教授，2016年诺贝尔化学奖得主、荷兰格罗宁根大学教授、中国科学院外籍院士，本报记者崔寅采访整理)
链 接
张琦教授团队在《自然·化学》报告的这种合成聚合物之所以引人关注，是因为它能以两种“可逆”的方式进行变化：一是能在无序结构和螺旋状结构之间来回切换；二是能分解成最初用来合成它的那些小分子。这种特性类似于生物聚合物——它们也会进行这样的切换，并分解成组成它们的小分子。其他科学家之前也报告过类似的聚合物。而这次报告的机制更复杂，因为两种变化都源于内部共价键和非共价键的相互作用。
——《自然·化学》高级编辑凯瑟琳·艾什
《 人民日报 》( 2025年12月22日 14 版)
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