巨型分子:化學、物理學和生物科學的交匯

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樓主 2020-09-22 16:08:57
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Science China Chemistry發表了北京大學化學與分子工程學院張文彬教授、美國阿克隆大學程正迪教授課題組專題論述文章:Giant molecules: where chemistry, physics, and bio-science meet。

傳統意義上的合成高分子是通過重復單元之間的化學鍵連接而成的鏈式結構,具有不均一的分子量以及因此產生的分子量分布。它的性質調控主要依賴于分子量及其分布和鏈拓撲結構的變化。


不同于合成高分子,天然高分子具有可控的“分子不均一性”,比如蛋白質能通過精確折疊,形成多級三維結構來實現特定的功能。這種結構的精確可控性是大分子實現其功能的重要物質基礎,也間接回答了二十世紀六十年代美國物理學家費曼的著名問題:“假如原子能夠按照我們設想的方式來排列,那么材料將會有怎么樣的性質?”,啟示高分子科學家們要走出傳統高分子的范疇,將可控的分子不均一性及其相關的精確結構引入合成高分子,拓展合成高分子的基元結構,實現其更為精密的功能化。


在過去近十五年的時間里,?科學家們對新的大分子體系進行了深入的思考和大膽的探索,?致力于在大分子中實現快速精準合成以及利用超分子工程實現其結構調控,提出了一類新型的軟物質大分子:基于“納米原子”(nano-atoms)的“巨型分子”(giantmolecules)?,F如今,巨型分子家族的新成員仍不斷被設計和合成,新奇的非傳統多級結構屢被發現,并且其基本形成原理也正逐步被闡釋和完善??梢哉f,巨型分子儼然發展成為了一個較為豐富和系統的研究方向。


近期,北京大學化學與分子工程學院張文彬教授、美國阿克隆大學程正迪教授接受《中國科學:化學》編輯部邀請,為英文刊Science China Chemitry撰寫了專題論述文章“Giant molecules: where chemistry, physics, and bio-science meet”,發表在2017年第3期(點擊左下角閱讀原文可免費閱讀和下載全文)。文章經審稿人推薦,被編輯部評選為期刊的“Hot Paper”!


在這篇專題文章中,作者闡明了巨型分子的設計靈感來自于天然聚合物,如蛋白質,可通過順序“點擊”化學的方法從分子納米粒子等構筑單元出發模塊化地構建。其最重要的分子參數如拓撲結構、組成和分子量可以被精確地調控。文章系統地回顧了巨型分子的發展途徑和現狀,總結當前的知識和經驗,并將其與合成高分子和蛋白質一起對比,總結了巨型分子與兩者相同與不同的地方及其豐富的組裝行為和特征。在每個巨型分子范疇中,作者都給出了典型示例,以說明它們在不同時間、空間和能量尺度上的多級組裝特性,再次強調了“人工結構域”的思想。該思想旨在開發一個理性化和模塊化的科學方法,以發展和制備新型功能材料。這本質上是一種“材料基因組方法”。該方法集成了化學和物理的基本原理和手段,用于設計和控制多級結構的形成,以使所得材料滿足豐富的特定功能的需求。


作者簡介

張文彬教授北京大學特聘研究員。一直致力于通過控制材料精確的化學結構和物理結構來發展具有優異性能的材料。對大分子合成和自組裝結構的表征做了深入的研究和探索,發展了利用分子納米粒子構建精確結構大分子的思路,開展了比較系統深入的工作。至今為止,已有70余篇文章在Science,?Proc. Natl. Acad. Sci., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater.,?Macromolecules等國際著名學術期刊上發表。2014年3月,入選中組部青年千人計劃。2015年1月,得到科技部863青年科學家專題支持。


程正迪教授現任Akron大學Frank C. Sullivan?杰出科研教授,Robert C. Musson?教授和?Trustees?教授。2007年至2014年任美國Akron大學高分子科學與工程學院院長。2008年當選美國工程院院士。其研究廣泛涉及高分子凝聚態和液晶體系。迄今在國際學術刊物上發表SCI收錄論文500余篇,總引用率15000余次,H因子為67。在各學術會議上做邀請報告700多次。申請美國和世界發明專利14項。著有學術專著1部。獲得了多項獎勵及榮譽稱號,包括Presidential Young Investigator Award, John H. Dillon Medal, Polymer Physics Prize,影響世界華人大獎等。


原文連接:

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCC/doi/10.1007/s11426-016-0436-x?slug=full text


來源:Science China Chemistry(《中國科學:化學》)

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