刘绍琴教授课题组在能量驱动的耗散自组装方面取得进展

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分子自组装是生命活动的重要基础。但是长期以来，化学家通过人工方法实现的分子自组装与生命体中实际发生的分子自组装行为相去甚远，其中一个重要的原因就是二者在热力学上有着很大的差别。目前为止，化学家通过人工方法实现的分子组装体多为热力学平衡态下的产物。而生命体中的分子自组装则多是在外界能量的驱动下完成的，所形成的功能性有序结构也多为热力学非平衡态的“临时”结构，比如蛋白质的磷酸化、神经冲动的传导以及细胞骨架的形成等。当相应的生物功能完成后，随着外界能量的耗散，这些功能结构又逐渐解体或退化为热力学平衡的“非活性”状态。近年来，人们引入了“耗散自组装”的概念，来描述这种能量驱动的、临时性的、处于热力学非平衡态下的组装行为。与分子在热力学平衡态下的“静态”自组装相比，分子的耗散自组装有着不同的规律，且具备更加丰富的功能。

近日，哈尔滨工业大学微纳米技术研究中心的刘绍琴教授团队利用聚乙二醇（PEG）和碘分子的非共价相互作用，实现了聚乙二醇—聚赖氨酸（PEG-PLKC）嵌段共聚物的耗散自组装，并研究了这种耗散自组装独特之处。最后，该研究组将上述共聚物修饰到碳纳米管上，利用此共聚物的耗散自组装实现了水中有机杂质的去除。

图1. PEG-PLKC的耗散自组装

该研究团队利用碘酸钠和硫脲的混合物作为提供能量的“化学燃料”来驱动PEG-PLKC的耗散自组装。随着二者氧化还原反应的进行，反应体系中有大量碘分子作为中间产物而出现。而碘分子与PEG的络合作用又可以将PEG由水溶性的高分子转变为憎水性的高分子，使PEG-PLKC具有两亲性并自组装形成直径约90 nm的高分子胶束。最终，当碘酸钠与硫脲混合物中所蕴含的化学能耗散殆尽时，反应体系中的碘分子逐渐消失而导致高分子胶束完全解体。该研究团队发现，虽然在反应的过程中碘单质的浓度在不断变化，但是PEG-PLKC自组装所形成的高分子胶束结构却几乎不变，只是胶束的数量会有所改变。这就与PEG-PLKC与碘在热力学平衡态下的自组装行为有着很大不同。

图2. 利用PEG-PLKC的耗散自组装进行水中有机杂质的去除

另外，该研究组还将PEG-PLKC修饰到碳纳米管上。由于PLKC嵌段带有大量正电荷，因此修饰后的碳纳米管能够均匀、稳定地分散在水中并吸附水中的有机物杂质。而加入上述“化学燃料”后，产生的碘单质可以让碳纳米管上的PEG-PLKC发生聚集，进而使碳纳米管携带着有机杂质从水相中沉淀出来，达到去除水中有机物杂质的目的。另外值得一提的是，由于碘单质在反应结束后消耗殆尽，所以沉淀出来的碳纳米管只需简单的超声处理就可以再次分散在水中，进行下一次的有机杂质去除。

以上相关成果于近期发表在Biomacromolecules上（Biomacromolecules, 2018, DOI: 10.1021/acs.biomac.8b00171）。论文的第一作者是哈尔滨工业大学微纳米技术研究中心青年教师王广通博士。上述工作得到了国家自然科学基金委青年基金项目（21704023）以及科技部国家重点研发计划（(2017YFA0207201）等的资金支持。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.8b00171