华东理工大学费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心日前在《自然·化学》杂志发表最新研究成果。
该中心联合荷兰科研机构,在国际上首次通过化学合成手段构建出具有明确双层螺旋结构的动态高分子材料。
这项突破性进展源于一次跨学科的观察与思考,也标志着仿生材料领域取得重要进展。
2019年,研究团队在考察上海中心大厦时获得关键启发。
这座632米高的建筑以其独特的内外双层螺旋外观闻名于世,不仅具有优异的空气动力学性能,其几何构型也与生命体系中的DNA双螺旋、蛋白质螺旋结构存在相似之处。
科研人员由此产生疑问:能否将建筑学中的结构智慧转化为分子层面的设计原理,在非生物体系中创造出兼具几何美感与动态功能的人工材料? 传统高分子材料研发长期面临一个困境。
尽管化学家已能合成各类螺旋结构聚合物,但这些材料多基于刚性骨架构建,既难以降解回收,也不具备天然生物大分子的动态响应能力。
如何突破这一瓶颈,成为摆在研究团队面前的核心课题。
经过数年探索,科研人员确立了全新的技术路线。
他们选用氨基酸、二硫键等天然存在且具有生物相容性的分子单元作为基础构件,通过动态可逆化学键将这些"分子积木"组装成稳定的螺旋构象。
这一设计理念看似简单,实际操作却困难重重。
早期方案中,分子结构仅依靠氢键等弱相互作用力维系,一旦温度升高或环境改变,螺旋便迅速失稳崩解。
突破来自对化学键性质的精准把控。
研究团队创新性地将动态共价键,特别是可逆二硫键与刚性氨基酸骨架相结合,使得材料既保持必要的机械强度,又获得了柔韧可调的动态特性。
实验数据显示,这种高分子材料的高度约为数十纳米,直径仅2纳米,相当于将上海中心大厦按比例缩小约十亿分之一,其精细程度达到人类头发丝直径的八百万分之一。
更令人瞩目的是该材料展现出的智能响应特征。
在温度变化时,分子链如同弹簧般伸缩自如;当置于碱性环境中,二硫键发生断裂,整个螺旋结构可控解聚为氨基酸和二硫小分子等人体可代谢的基础组分,不会在体内产生长期残留,从根本上规避了传统高分子材料可能引发的生物安全隐患。
这项成果的应标题： 中荷科学家成功合成双层螺旋动态高分子 以上海中心大厦为灵感打造可降解仿生材料 从摩天大楼的双螺旋外观到纳米尺度的分子构筑，这项研究再次说明，创新常常发生在“跨界的相遇”中：把工程结构的启发、化学键的设计与生命相容的需求连成一条链，才能在材料性能与安全边界之间找到新的平衡点。
面向以健康与可持续为导向的新一轮技术变革，如何让材料“更聪明、更可靠、更可回归自然”，将成为科研与产业共同回答的重要命题。