9月9日，《自然通訊》(Nature Communications)雜志在線刊發(fā)了華中科技大學(xué)朱錦濤教授、清華大學(xué)楊振忠教授研究團(tuán)隊題為“Moebius strips of Chiral Block Copolymers”的最新研究成果。
莫比烏斯環(huán)（Moebius strip）是一種獨(dú)特的拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)，它只有一個表面。由德國數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家莫比烏斯（August Ferdinand Moebius）和約翰·李斯丁（Johhan Benedict Listing）于1858年首次提出。宏觀上，這個結(jié)構(gòu)可以用一個紙帶旋轉(zhuǎn)半圈再把兩端粘上之后輕而易舉地制作出來。研究表明，具有特殊空間結(jié)構(gòu)的莫比烏斯環(huán)不僅在數(shù)學(xué)拓?fù)漕I(lǐng)域具有重要地位，在分子、超分子層面中也賦予微觀體系特殊的性質(zhì)。例如具有莫比烏斯構(gòu)象的共軛分子具有與傳統(tǒng)休克兒4n+2規(guī)則互補(bǔ)的芳香性質(zhì)。由于這種特殊的結(jié)構(gòu)通常處于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)，微觀尺度上構(gòu)筑這種特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頗具挑戰(zhàn)。嵌段共聚物的溶液自組裝提供了一種自下而上制備形貌可控超分子組裝體的有效方法。組裝體形貌結(jié)構(gòu)可以通過聚合物組成、初始濃度、溶劑性質(zhì)、水含量等諸許多因素進(jìn)行調(diào)控。但目前而言，具有莫比烏斯帶這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的聚合物組裝體尚未見文獻(xiàn)報道。
研究團(tuán)隊通過手性嵌段共聚物聚苯乙烯-block-聚右旋乳酸(PS-b-PDLA)在THF/water混合溶劑中快速組裝制備了一種微米尺度的環(huán)狀組裝體。分析發(fā)現(xiàn)，約50%的環(huán)狀組裝體的環(huán)壁具有180°扭曲結(jié)構(gòu)，且這種扭曲結(jié)構(gòu)主要呈左手性扭曲。我們將這種含扭曲結(jié)構(gòu)的環(huán)狀組裝體稱為嵌段共聚物莫比烏斯環(huán)。通過對環(huán)狀組裝體形成的動力學(xué)機(jī)制進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)狀組裝體是由嵌段共聚物自組裝形成的小尺寸球形膠束融合形成復(fù)合球形膠束，復(fù)合球形膠束發(fā)生形變形成條帶狀組裝體，條帶狀組裝體閉合成環(huán)形成的。結(jié)合透射電子顯微鏡、廣角X射線衍射、圓二色譜，及傅里葉轉(zhuǎn)變紅外光譜等一系列表征手段證實，狀組裝體的形成是疏水相互作用、結(jié)晶和手性作用共同作用的結(jié)果。
研究發(fā)現(xiàn)，嵌段共聚物莫比烏斯環(huán)環(huán)壁上扭曲結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生于條帶閉合成環(huán)過程：條帶兩端發(fā)生順時針或逆時針90°旋轉(zhuǎn)以后以“面-面”貼合的形式發(fā)生有效粘合，兩端同時順時針旋轉(zhuǎn)90°則得到左手性扭曲的莫比烏斯環(huán)，而同時逆時針旋轉(zhuǎn)90°則得到右手性扭曲的莫比烏斯環(huán)。
本工作中嵌段共聚物莫比烏斯環(huán)的形成涉及到由鏈節(jié)構(gòu)型到鏈段構(gòu)象、由鏈段構(gòu)象到聚合物相區(qū)和由相區(qū)到組裝體這三個不同層級的手性傳遞，并且在手性由相區(qū)到組裝體傳遞的過程中發(fā)生了反轉(zhuǎn)。研究表明，手性反轉(zhuǎn)的發(fā)生是由PS鏈段在形貌轉(zhuǎn)變過程中隨PDLA相區(qū)結(jié)構(gòu)變化發(fā)生取向拉伸產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力在紡錘體狀組裝體閉合成環(huán)過程中發(fā)生松弛釋放所致。本工作將有助于加深人們對手性從分子水平向超分子結(jié)構(gòu)傳遞現(xiàn)象的理解和認(rèn)識。
華中科技大學(xué)為第一完成單位，論文第一作者是化學(xué)與化工學(xué)院博士后耿振，華中科技大學(xué)的朱錦濤教授、張連斌教授及清華大學(xué)楊振忠教授是論文的通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和華中科技大學(xué)學(xué)術(shù)前沿青年團(tuán)隊項目等的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-11991-3.pdf
