复旦大学发现“人造分子”批量制备方法研究论文登上《科学》

人类对微观世界的改造能力对于科技发展至关重要，例如我们手机现在用到的旗舰处理器，能在指甲盖大小的芯片中刻蚀出上百亿个晶体管，来保证计算性能。

而如果我们可以掌握对分子结构的改造或创造技术，世界又会怎样？我们能否进一步创造出全新的物质或材料？

来自复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室的聂志鸿教授课题组，在纳米 “人造分子” 制备领域取得重大研究突破，他们发明了一种实现纳米粒子之间定向键合的新方式。

通俗来讲，研究人员可以在纳米粒子表面设计高分子配体，通过配体的化学计量反应来精准控制粒子与粒子之间的相互作用，实现精确的有方向性的粒子结合，然后构筑形成类似于小分子的粒子团簇，实现 “人造分子” 的过程，这项研究论文发表在《科学》（Science）主刊上，为 “人造分子” 研究开辟了新思路。

图｜人造分子的概念图（来源：复旦大学）

在纳米 “球” 上施工

每一份科研成果的背后，都是一份坚守，聂志鸿的科研生涯已有 20 余年。

他本科毕业于吉林大学化学系，2003 年在中科院长春应用化学研究所安立佳研究员（中国科学院院士）指导下获得硕士学位；2008 年于加拿大多伦多大学在尤金妮亚 · 库马切瓦（Eugenia Kumacheva） 教授（加拿大皇家科学院院士） 指导下获得博士学位；2008-2010 年，他在哈佛大学乔治 · 怀特塞兹（ George M. Whiteside ）教授（美国科学院、 工程院、艺术与科学院院士）研究组做 NSERC 博士后研究。

2011 年，聂志鸿加入美国马里兰大学帕克分校化学与生物化学系从事教学与科研工作， 并于 2017 年获得终身教职，2018 年底回国并全职受聘为复旦大学高分子科学系教授。迄今已在 Science、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Science Advances 等权威国际期刊发表论文 120 余篇。

在这篇 “人造分子” 的研究论文中，聂志鸿团队的科研助理易成林博士为第一作者，合作者为加拿大多伦多大学教授尤金妮亚 · 库马切瓦，以及吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室教授吕中元等。目前聂志鸿在复旦的课题组主要从事聚合物无机纳米粒子的复合材料研究。

聂志鸿介绍，能够实现 “人造分子” 是科研工作者们梦寐以求的事情，这种概念提出来有近 20 年了，但人造分子是项极其微观的工程，挑战巨大。

有多难？他打了个有趣的比方：可以想象一下，我们有一堆乒乓球，每个球的表面都是一样的，把它们放在一起的接触点是随机的，这就产生了一个问题，如果我们不能按照特定的序列和结构控制它们之间的结合，那最终只会得到一堆杂乱无章的聚集结果。

图｜分子结构模型（来源：Virus via Shutterstock）

此前，业内的研究做法大多是在纳米粒子上定点修饰有机或生物分子，利用这些分子之间的相互作用，实现对不同纳米粒子结合的调控。这有点像搭积木，比如我们想把几个乒乓球连接起来，组成三角形或者立方体等结构，直观的想法是在球上制造一个接触点或卡槽，在这个接触点刷一点粘合剂或者让卡槽互相契合，形成定向的结合点，就能组装在一起了。

“这么做有什么问题呢？可以想象一下，我们在一个乒乓球上去刷粘合剂或制造卡槽是比较容易的，但想要在几纳米或者几十纳米的‘球’上定点施工，而且想达到高精度并能去大量制备，目前来讲几乎不太可能。”聂志鸿说道。

按照这种传统的做法，难以高产率、大规模加工制备纳米“人造分子”，阻碍了进一步系统研究它们的各种物理特性的步骤，而用它们组成真正可用的新材料更是遥遥无期。

而聂志鸿课题组的方法，则是直接跳出了这种定点修饰拼装的思维，他们想让这些粒子自发去做这些事情。研究人员在整个粒子的表面都 “涂” 上一层高分子聚合物，类似于长长的“头发”，之后通过聚合物链条的反应设计，让表面的聚合物自己去调节结合方式，由此产生一个精确的定向键合，实现批量制备。

精准对接纳米粒子

这项研究的细节过程非常复杂，不过对于该领域的小白来讲，了解这几个词汇或许能帮助理解其中奥妙：无机纳米粒子（NPs）、化学计量、胶体分子（CMs）。

聂志鸿介绍，无机纳米粒子，是用来构筑纳米人造分子的一个基本功能单元。在这项工作中，研究人员使用的纳米粒子大部分是金属的，比如说金、银；也做过氧化物的，比如说具有磁性的四氧化三铁等纳米粒子研究。

不同成分、不同大小或不同形状的纳米粒子，会表现出不一样的光学、磁学或电学性质。而把这些无机纳米粒子按照定向的方式结合起来，就能形成类似于分子的团簇结构，就是一个胶体分子（CMs），通常也被称为“人造分子”。

图｜携带聚合物的纳米粒子，通过化学计量反应，定向键合成了纳米尺度的“人造分子”（来源：复旦大学）

如何调控无机纳米粒子之间的结合效果和结合程度？手段就是通过调控粒子表面那层聚合物的化学反应计量。

简单来说，一个粒子表面附着有一种聚合物，然后另外一个粒子表面有另一种聚合物，这两种聚合物之间会通过化学反应，把两个粒子链接在一起，而粒子表面聚合物的链条有几根、有多长，则能影响两个粒子之间的结合效果，其亮点就是，在这项实验中，这些化学反应计量都是可控的。

聚合物的链条有多长，其链条上的官能团（是决定有机化合物的化学性质的原子或原子团）造成反应的点位就有所不同，研究人员通过影响两个粒子表面聚合物中可以反应的官能团的数目，进而影响胶体分子形成的过程，通过定量实验与计算机模拟相结合，提出了有效预测该过程的计算公式和理论模型。以后，大家就可以套用这个公式去设计各自想要的“人造分子”。

至于让这些聚合物的链条附着在无机纳米粒子上，则是通过配体交换反应的方式来完成。这种聚合物一端的官能团可以跟粒子表面有很强的相互作用，可以牢固地 “接” 上去，这是这项研究常用到的一种方法。

有望推动材料领域变革

关于这项技术的商业化应用前景，目前还处于进一步探索之中，但据聂志鸿介绍，它起码有两大方向的推动作用。

其一，有希望精确设计新型的高性能材料。对纳米级别的粒子与粒子之间的空间相对位置进行调控，如果十分精准，则有利于对其性能进行更系统准确的研究，并可能获得颠覆性的物理特性；

其二，对传统的复合材料研究领域有望促成巨大的改进。传统的复合材料里面会有一些特殊的纳米粒子填充，之前都是简单的复合，让粒子分散在其中，但这些粒子的空间分布、之间的相互作用是很难调控的，而通过该技术则在一定程度上可以实现调控。

实际上，从材料的性能角度看，粒子在复合材料里面的空间排列方式，对材料的性能影响非常大，还有很多材料强烈依赖于复合材料中这些具有特定功能的纳米粒子的空间精确排列。例如近年来研究火热的负折射材料、隐形涂层和器件等，实际上都要求内部的功能粒子排列方式要精准，而且相对复杂。

“接下来还有很多地方值得探索，未来空间非常大。至于这项研究将来能达到怎样一个极限，目前还很难预判，因为传统的分子体系非常复杂。我们现在做的 ‘人造分子’，实际上只展示了几种相对简单的分子结构形态，提出一种新的科研思路。”聂志鸿表示。

由于此前研究的 “人造分子” 纯度低，制备量也没法做大，对人造分子性质的研究极少，它们组成的材料本身能有什么特性，接下来也需要深入探索。最终材料本身的性质，跟原有纳米粒子以及单个 “人造分子” 的性质是不一样的，这些 “人造分子” 在空间进行排列组合的时候，会产生耦合效应，它们有可能产生 1+1>2 的效果，在未来催生更多新的物质材料。

分子结构五花八门乃至有无穷种类，它们构成了丰富多彩的世界；而人造分子技术，则让人类得窥造物主之力，从而设计、创造我们想要的新事物。