曲大辉：纳米尺度的人工分子肌肉致动器

xiangli

人工分子机器是指化学家通过人工合成的方法制造出的分子级别的机器。J. P. Sauvage, J. F. Stoddart和B. L. Feringa三位教授由于在这个领域的开创性研究获得了2016年诺贝尔化学奖。作为国内最早独立开展分子机器领域研究的团队，华东理工大学化学与分子工程学院田禾院士和曲大辉教授研究团队多年来围绕“功能有机分子机器”开展了一系列开创性工作。

  近日，华东理工大学田禾院士和曲大辉教授研究团队再次取得重要进展，利用人工合成的方法，成功构建了纳米尺度的人工分子肌肉致动器，实现了在分子尺度下对微小物体的可逆机械致动。该研究成果以“Muscle-like Artificial Molecular Actuators for Nanoparticles”为题在线发表于国际顶级学术期刊Cell的化学类姐妹刊Chem上 (影响因子：14.104)。

  动物体内的肌肉组织能够通过消耗化学能量来产生舒张/收缩运动，将化学能转换为机械功。受到这种生物分子机器的启发，化学家试图通过化学合成的方法构建同样具有刺激响应舒张/收缩功能的人工分子肌肉。尽管目前已经有一些分子肌肉聚合物能够在宏观尺度下实现其肌肉一样的致动功能，然而实现这种分子尺度的单个/寡数分子肌肉对纳米尺度下的微小物体进行可逆致动的设想仍然存在很多研究挑战：比如，如何克服单个分子肌肉本征的热力学噪音，如何实现分子肌肉与纳米物件的高效连接，如何表征这种分子尺度下分子肌肉的可逆致动。

  田禾院士和曲大辉教授研究团队在前期对表面超分子化学（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 15789; Adv. Mater. 2017, 29, 1604948）和机械互锁分子的高效精准合成（Chem. Sci. 2016, 7, 1696; Chem. Sci. 2017, 8, 6777）的研究基础上，设计合成出一种具有酸碱可逆驱动的线性分子肌肉（图1）。分子肌肉的伸缩运动控制中心来源于基于冠醚大环的[c2]雏菊链在两个识别位点之间的可控运动，分子两端的六个硫醇基团则可以通过与金纳米粒子形成稳定的Au-S键实现分子肌肉与两个金纳米粒子的高效连接，从而使得分子肌肉单元能够伸缩驱动与其相连接的金纳米粒子二聚体“靠近-远离”的线性机械运动。

图1. 分子肌肉的结构式和伸缩机理

  为了克服溶液相容易形成纳米粒子多聚体的缺点，研究人员采取了表面相逐步修饰的策略，实现了分子肌肉致动器在两个金纳米粒子之间的高效固载化（图2）。同时借助华东理工大学化学与分子工程学院龙亿涛教授发展的单颗粒光电分析平台（Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 632），研究人员成功实现了单颗粒尺度下分子肌肉可逆运动行为的光学信号输出（图2）。同时首创性地利用光学信号在时间维度可积分的策略克服了分子肌肉的单分子热力学噪音，实现了分子肌肉在分子水平上可逆致动的功能化，为分子机器在单分子尺度下的信号输出和功能器件化提供了重要的解决思路。

图2. 分子肌肉致动器固载化示意图(A, B)以及分子肌肉伸缩致动前后纳米粒子二聚体的单颗粒光学信号变化监测(C, D).

  该研究成果发表于Chem, 2018。文章的第一作者是博士研究生张琦和饶斯佳博士，通讯作者是田禾院士和曲大辉教授。该工作得到了华东理工大学化学与分子工程学院龙亿涛教授和李大伟副研究员在暗场显微镜测试方面的悉心指导，还得到了上海大学特种光纤与光接入网重点实验室陈娜教授在有限元模拟上的大力帮助。该研究工作得到了国家自然科学基金委创新群体，重大项目以及111引智计划等资金的支持。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2018.08.030