張 琦 伯納德·費林加

螺旋聚合物和上海中心大廈結(jié)構(gòu)示意圖。 資料圖片

近期，中國與荷蘭科學家合作完成的一項新成果發(fā)表在《自然·化學》雜志上：研究團隊首次在實驗室中成功合成出具有明確內(nèi)外雙層螺旋結(jié)構(gòu)的動態(tài)高分子。這一分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計靈感源自上海中心大廈的獨特建筑形態(tài)，分子高度僅幾十納米、直徑僅2納米，相當于將632米高的摩天大樓縮小至約10億分之一，是人類頭發(fā)絲的800萬分之一。實驗表明，該材料展現(xiàn)出類似天然蛋白質(zhì)的動態(tài)行為，可隨溫度變化伸縮、在特定條件下完全解旋，并最終降解為人體可吸收的小分子，無殘留風險，這為仿生智能材料的研發(fā)開辟了新路徑。

從建筑奇觀到功能材料

該研究由華東理工大學費林加諾貝爾獎科學家聯(lián)合研究中心完成。2019年，研究團隊在參觀上海中心大廈時受到啟發(fā)。該大廈于2016年建成，是目前中國第一高樓、世界第三高樓，以多項創(chuàng)新技術(shù)在超高層建筑史上具有里程碑意義。研究團隊特別注意到，其獨特的內(nèi)外雙層螺旋外觀不僅賦予建筑獨特的空氣動力學穩(wěn)定性，也令人聯(lián)想到生命體系中的螺旋結(jié)構(gòu)，如DNA和某些蛋白質(zhì)。由此，研究團隊提出一個科學設(shè)想：能否在非生物體系中，通過化學合成手段構(gòu)建具有類似幾何特征和動態(tài)功能的人工高分子？

生物體內(nèi)的螺旋高分子承擔著信息存儲、結(jié)構(gòu)支撐或催化等關(guān)鍵功能，其精密構(gòu)型被認為是“生命密碼”的物理載體。然而，數(shù)十年來，化學家雖然能合成出螺旋結(jié)構(gòu)高分子，但往往基于難降解、難回收的剛性骨架，不具備天然螺旋高分子一樣的動態(tài)功能。

此次研究團隊從最基礎(chǔ)的小分子出發(fā)，嘗試將氨基酸、二硫鍵等天然的、與生物相容的“分子積木”，通過動態(tài)可逆的化學鍵連接起來，構(gòu)筑出穩(wěn)定的螺旋構(gòu)象。不過，早期設(shè)計的分子僅靠氫鍵等弱相互作用維持螺旋，一旦受熱或環(huán)境變化，結(jié)構(gòu)便迅速“坍塌”。

經(jīng)過反復試驗，研究團隊終于找到了關(guān)鍵突破口：將動態(tài)共價鍵(特別是可逆的二硫鍵)與剛性氨基酸骨架巧妙結(jié)合，使螺旋結(jié)構(gòu)既具備柔韌性，又能穩(wěn)定存在。研究發(fā)現(xiàn)，該高分子像彈簧一樣，在加熱時可伸展，冷卻后恢復螺旋；在堿性環(huán)境下，二硫鍵斷裂，整個結(jié)構(gòu)在可控范圍內(nèi)可解聚為原始小分子，成為人體代謝通路中的常見組分——氨基酸和二硫小分子。

這一成果在生物功能材料方面展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。由于具備優(yōu)異的力學柔韌性、生物相容性及完全可降解性，該材料有望成為下一代可穿戴或可植入醫(yī)療器件的理想基底。例如，在柔性神經(jīng)接口、靶向藥物遞送系統(tǒng)或組織工程支架中，它既能適應(yīng)體內(nèi)復雜力學環(huán)境，又可在完成使命后安全代謝，避免傳統(tǒng)高分子材料長期滯留引發(fā)的炎癥或毒性風險。

從納米技術(shù)到分子工廠

化學研究的核心使命之一，是在物理規(guī)律與生命現(xiàn)象之間架設(shè)橋梁。從宇宙大爆炸后的無機小分子，到今天能夠思考、創(chuàng)造的人類，大自然僅用20種氨基酸和4種堿基作為“序列密碼”，就書寫了一部從“小”到“大”、從無序到有序的演化史詩。

在自然萬物中，“小”并不等于“簡單”。以水為例：單個水分子僅由一個氧原子和兩個氫原子構(gòu)成，但當大量水分子在低溫下通過氫鍵有序排列時，可形成蜂窩狀六邊形網(wǎng)絡(luò)，進而凝結(jié)為冰晶。據(jù)估算，雪花可能的形態(tài)組合高達10158種——這一數(shù)字遠超可觀測宇宙中的原子總數(shù)(約1080個)。這種從簡單基元涌現(xiàn)出的極致復雜性，或許正是水能成為“生命搖籃”的關(guān)鍵所在。

這種“小”的奧妙，啟發(fā)了一代代科學家。他們通過一次次精妙的分子設(shè)計，完成了很多重要的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明。1959年，物理學家理查德·費曼在《底部還有很大空間》的演講中預言：人類能夠從單個原子或分子出發(fā)進行組裝，以構(gòu)建具有特定功能的物質(zhì)，并在一個極小的尺度操作和控制物體，將會產(chǎn)生應(yīng)用前景極其廣闊的技術(shù)——這被廣泛認為是納米技術(shù)的理論起源。

之后，隨著現(xiàn)代顯微成像技術(shù)的發(fā)展和成熟，人類逐步獲得“看見”并操縱單個原子的能力。上世紀80—90年代，法國科學家索瓦日、英國科學家司徒塔特相繼合成出機械互鎖型分子結(jié)構(gòu)，這些分子能夠在納米尺度下像機器一樣發(fā)生線性穿梭運動，因此被稱為“分子機器”。1999年，費林加研制出首個光驅(qū)動“分子馬達”(即可以繞軸定向旋轉(zhuǎn)運動的分子機器，尺寸不足2納米)，隨后又開發(fā)出能在金屬表面定向移動的“分子車”，該分子車由4個分子馬達作為“車輪”，能夠像汽車一樣直行、轉(zhuǎn)彎和剎車。三人因在分子機器設(shè)計與合成方面的開創(chuàng)性貢獻，共同獲得2016年諾貝爾化學獎。

近年來，費林加團隊進一步將“分子馬達”嵌入金屬有機框架中，實現(xiàn)對氣體分子的光控捕獲與釋放，相當于在固態(tài)材料內(nèi)部構(gòu)建了微型“分子工廠”。未來，此類系統(tǒng)有望用于精準藥物遞送或環(huán)境污染物清除。

從研發(fā)設(shè)計到更多應(yīng)用

“造小”的藝術(shù)，因應(yīng)著人類社會的多種需求。2023年諾貝爾化學獎授予了“量子點的發(fā)現(xiàn)與合成”，也是“造小”的典范。科學家通過將無機半導體顆粒尺寸縮小至1—20納米范圍，使其電子運動受限于極小空間，從而產(chǎn)生顯著的量子限域效應(yīng)——此時，材料的光、電、磁等物理性質(zhì)不再僅由化學成分決定，而是強烈依賴于顆粒尺寸。這類極小的量子點可以精準調(diào)控其光電性質(zhì)，在器件、催化、傳感、信息等方面展現(xiàn)重要應(yīng)用前景。目前基于量子點技術(shù)的顯示技術(shù)(OLED)已進入量產(chǎn)階段，相比傳統(tǒng)有機發(fā)光二極管，展示出高亮度、廣色域等優(yōu)勢。

2025年，諾貝爾化學獎授予金屬有機框架材料領(lǐng)域，也可以認為是“造小”的藝術(shù)。研究人員通過金屬離子與剛性棒狀分子的框架組裝，制造出具有特定幾何尺寸的三維孔道結(jié)構(gòu)，而這些孔道的孔徑只有幾納米，因此可以對特定尺寸的氣體分子展現(xiàn)選擇性的吸附特征，實現(xiàn)工業(yè)氣體的富集、儲存和分離等功能應(yīng)用。目前，基于金屬有機框架材料的空氣取水裝置已在非洲干旱地區(qū)試點應(yīng)用，每公斤材料每日可從低濕度空氣中捕獲數(shù)升淡水，為解決水資源危機提供新方案。

在信息科技領(lǐng)域，分子機器也擁有巨大的應(yīng)用潛力。司徒塔特團隊曾于2007年演示了一種基于分子穿梭運動的存儲器件，可利用分子機械互鎖結(jié)構(gòu)實現(xiàn)分子級別的單向運動，并通過外部刺激(如光、熱或電場)控制分子狀態(tài)的切換，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫。理論上，這一分子機器芯片每平方厘米可存儲100GB數(shù)據(jù)。盡管尚處概念階段，但其突破現(xiàn)有硅基芯片存儲能力極限的前景令人期待。

在醫(yī)學領(lǐng)域，費林加團隊正致力于開發(fā)可在體內(nèi)靶向清除病變細胞的納米機器人。理想狀態(tài)下，這類2納米大小的分子轉(zhuǎn)子(結(jié)構(gòu)可旋轉(zhuǎn)的分子機器)可通過高速旋轉(zhuǎn)在癌細胞膜上打孔，實現(xiàn)精準殺傷。目前該技術(shù)的應(yīng)用還存在一些技術(shù)瓶頸，比如如何使用穿透性更強的近紅外光驅(qū)動轉(zhuǎn)子，如何提升對病變細胞的識別特異性等。一旦實現(xiàn)突破，對于分子醫(yī)學研發(fā)也具有重要意義。

盡管“造小”技術(shù)日新月異，目前在研發(fā)和運用上仍面臨多重挑戰(zhàn)：原子級成像與操控設(shè)備成本高昂、適用場景有限；微觀世界的動態(tài)復雜性使得精準控制極為困難；從單一功能分子到集成系統(tǒng)的跨越需要長期積累。但我們相信，隨著人工智能輔助分子設(shè)計、自動化合成平臺和新型表征技術(shù)等發(fā)展，“造小”的藝術(shù)必將加速向規(guī)模化、工程化技術(shù)轉(zhuǎn)化。未來，這類材料有望在可持續(xù)能源、智能穿戴、精準醫(yī)療和環(huán)境治理等領(lǐng)域深度融入人類日常生活。

(作者分別為華東理工大學化學與分子工程學院教授，2016年諾貝爾化學獎得主、荷蘭格羅寧根大學教授、中國科學院外籍院士，本報記者崔寅采訪整理)

鏈 接

張琦教授團隊在《自然·化學》報告的這種合成聚合物之所以引人關(guān)注，是因為它能以兩種“可逆”的方式進行變化：一是能在無序結(jié)構(gòu)和螺旋狀結(jié)構(gòu)之間來回切換；二是能分解成最初用來合成它的那些小分子。這種特性類似于生物聚合物——它們也會進行這樣的切換，并分解成組成它們的小分子。其他科學家之前也報告過類似的聚合物。而這次報告的機制更復雜，因為兩種變化都源于內(nèi)部共價鍵和非共價鍵的相互作用。

——《自然·化學》高級編輯凱瑟琳·艾什

《 人民日報 》( 2025年12月22日 14 版)