“造小”的艺术，用分子构筑新材料

近期，中国与荷兰科学家互助完成的一项新效果发表在《当然·化学》杂志上：商讨团队初次在现实室中见效合成出具有明确表里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私有建筑模式，分子高度仅几十纳米、直径仅2纳米，突出于将632米高的摩天大楼消弱至约10亿分之一，是东说念主类头发丝的800万分之一。现实标明，该材料展现出雷同自然卵白质的动态活动，可随温度变化伸缩、在特定要求下统统解旋，并最终降解为东说念主体可招揽的小分子，无残留风险，这为仿生智能材料的研发开辟了新旅途。

从建筑奇不雅到功能材料

该商讨由华东理工大膏火林加诺贝尔奖科学家蚁合商讨中心完成。2019年，商讨团队在参不雅上海中心大厦时受到启发。该大厦于2016年建成，是当今中国第一高楼、寰宇第三高楼，以多项改进工夫在超高层建筑史上具有里程碑酷好。商讨团队很是把稳到，其私有的表里双层螺旋外不雅不仅赋予建筑私有的空气能源学踏实性，也令东说念主持意料生命体系中的螺旋结构，如DNA和某些卵白质。由此，商讨团队建议一个科学设计：能否在非生物体系中，通过化学合成技巧构建具有雷同几何特征和动态功能的东说念主工高分子？

生物体内的螺旋高分子承担着信息存储、结构支握或催化等关节功能，其精密构型被觉得是“生命密码”的物理载体。关系词，数十年来，化学家固然能合成出螺旋结构高分子，但通常基于难降解、难回收的刚性骨架，不具备自然螺旋高分子相同的动态功能。

这次商讨团队从最基础的小分子开赴，尝试将氨基酸、二硫键等自然的、与生物相容的“分子积木”，通过动态可逆的化学键勾通起来，构筑出踏实的螺旋构象。不外，早期设计的分子仅靠氢键等弱互相作用保管螺旋，一朝受热或环境变化，结构便马上“坍弛”。

流程反复教诲，商讨团队终于找到了关节冲突口：将动态共价键（很是是可逆的二硫键）与刚性氨基酸骨架奥妙结合，使螺旋结构既具备柔韧性，又能踏实存在。商讨发现，该高分子像弹簧相同，在加热时可伸展，冷却后复原螺旋；在碱性环境下，二硫键断裂，所有这个词结构在可控范围内可解聚为原始小分子，成为东说念主体代谢通路中的常见组分——氨基酸和二硫小分子。

这一效果在生物功能材料方面展现出应用后劲。由于具备优异的力学柔韧性、生物相容性及统统可降解性，该材料有望成为下一代可穿着或可植入医疗器件的守望基底。举例，在柔性神经接口、靶向药物寄递系统或组织工程支架中，它既能相宜体内复杂力学环境，又可在完成职责后安全代谢，幸免传统高分子材料弥远淹留激发的炎症或毒性风险。

从纳米工夫到分子工场

化学商讨的中枢职责之一，是在物理端正与生命时局之间架设桥梁。从天地大爆炸后的无机小分子，到今天能够念念考、创造的东说念主类，大当然仅用20种氨基酸和4种碱基行为“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。

在当然万物中，“小”并不就是“浅陋”。以水为例：单个水分子仅由一个氧原子和两个氢原子组成，但当巨额水分子在低温下通过氢键有序胪列时，可酿成蜂窝状六边形麇集，进而凝结为冰晶。据估算，雪花可能的模式组合高达10158种——这一数字远超可不雅测天地中的原子总额（约1080个）。这种检朴单基元显清晰的极致复杂性，大致恰是水能成为“生命摇篮”的关节处所。

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，完成了许多伏击的发现和发明。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：东说念主类能够从单个原子或分子开赴进行拼装，以构建具有特定功能的物资，并在一个极小的方法操作和限定物体，将会产生应用远景极其广漠的工夫——这被鄙俚觉得是纳米工夫的表面发源。

之后，跟着当代显微成像工夫的发展和熟习，东说念主类逐渐取得“看见”并主宰单个原子的才调。上世纪80—90年代，法国科学家索瓦日、英国科学家司徒塔特接踵合成出机械互锁型分子结构，这些分子能够在纳米方法下像机器相同发生线性穿梭畅通，因此被称为“分子机器”。1999年，费林加研制出首个光出手“分子马达”（即不错绕轴定向旋转畅通的分子机器，尺寸不及2纳米），随后又开采出能在金属名义定向挪动的“分子车”，该分子车由4个分子马达行为“车轮”，能够像汽车相同直行、转弯和刹车。三东说念主因在分子机器设计与合成方面的创始性孝敬，共同取得2016年诺贝尔化学奖。

连年来，费林加团队进一步将“分子马达”镶嵌金属有机框架中，达成对气体分子的光控拿获与开释，突出于在固态材料里面构建了小型“分子工场”。异日，此类系统有望用于精确药物寄递或环境混浊物废除。

从研发设计到更多应用

“造小”的艺术，因应着东说念主类社会的多种需求。2023年诺贝尔化学奖授予了“量子点的发现与合成”，亦然“造小”的典范。科学家通过将无机半导体颗粒尺寸消弱至1—20纳米范围，使其电子畅通受限于极小空间，从而产生显赫的量子限域效应——此时，材料的光、电、磁等物感性质不再仅由化学要素决定，而是热烈依赖于颗粒尺寸。这类极小的量子点不错精确调控其光电性质，在器件、催化、传感、信息等方面展现伏击应用远景。当今基于量子点工夫的炫耀工夫（OLED）已插足量产阶段，比拟传统有机发光二极管，展示出高亮度、广色域等上风。

2025年，诺贝尔化学奖授予金属有机框架材料边界，也不错觉得是“造小”的艺术。商讨东说念主员通过金属离子与刚性棒状分子的框架拼装，制造出具有特定几何尺寸的三维孔说念结构，而这些孔说念的孔径惟一几纳米，因此不错对特定尺寸的气体分子展现选拔性的吸附特征，达成工业气体的富集、储存和分离等功能应用。当今，基于金属有机框架材料的空气汲水装配已在非洲干旱地区试点应用，每公斤材料逐日可从低湿度空气中拿获数升淡水，为处置水资源危险提供新有野心。

在信息科技边界，分子机器也领有宏大的应用后劲。司徒塔特团队曾于2007年演示了一种基于分子穿梭畅通的存储器件，可利用分子机械互锁结构达成分子级别的单向畅通，并通过外部刺激（如光、热或电场）限定分子情状的切换，从而达成数据读写。表面上，这一分子机器芯片每普遍厘米可存储100GB数据。尽管尚处办法阶段，但其冲突现存硅基芯片存储才调极限的远景令东说念主期待。

在医学边界，费林加团队正努力于开采可在体内靶向废除病变细胞的纳米机器东说念主。守望情状下，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，达成精确杀伤。当今该工夫的应用还存在一些工夫瓶颈，比怎样如使用穿透性更强的近红外光出手转子，何如提高对病变细胞的识别特异性等。一朝达成冲突，关于分子医学研发也具有伏击酷好。

尽管“造小”工夫日月牙异，当今在研发和哄骗上仍靠近多重挑战：原子级成像与操控成立老本文静、适用场景有限；微不雅寰宇的动态复杂性使得精确限定极为贫瘠；从单一功能分子到集成系统的着手需要弥远积存。但咱们服气，跟着东说念主工智能接济分子设计、自动化合成平台和新式表征工夫等发展，“造小”的艺术必将加快向限度化、工程化工夫改动。异日，这类材料有望在可握续能源、智能穿着、精确医疗和环境管制等边界深度融入东说念主类日常糊口。

（作家张琦、伯纳德·费林加诀别为华东理工大学化学与分子工程学院锻真金不怕火，2016年诺贝尔化学奖得主、荷兰格罗宁根大学锻真金不怕火、中国科学院外籍院士，本报记者崔寅采访整理）

勾通

张琦锻真金不怕火团队在《当然·化学》阐明的这种合成团聚物之是以引东说念主体恤，是因为它能以两种“可逆”的神情进行变化：一是能在无序结构和螺旋状结构之间来往切换；二是能领悟成最初用来合成它的那些小分子。这种特色雷同于生物团聚物——它们也会进行这么的切换，并领悟成组成它们的小分子。其他科学家之前也阐明过雷同的团聚物。而这次阐明的机制更复杂，因为两种变化皆源于里面共价键和非共价键的互相作用。

——《当然·化学》高等裁剪凯瑟琳·艾什