导语
人工分子机器于2016年获得诺贝尔化学奖，它是指化学家通过有机合成创造出的分子尺度的机器。近年来，如何实现分子机器的功能材料化已经成为国际研究的热点问题。作为国内最早独立开展分子机器领域研究的团队，华东理工大学化学与分子工程学院田禾院士和曲大辉教授研究团队自2004年以来围绕“功能有机分子机器”开展了一系列具有国际影响力的开创性工作。近日，华东理工大学田禾院士和曲大辉教授研究团队再次取得突破进展，他们成功构建了长度仅为数纳米的像肌肉一样可以伸缩运动的分子致动器，并将其作为连接单元去驱动两个纳米粒子的机械运动，首次实现轮烷分子肌肉在微观纳米世界的功能应用（图1）。该研究成果以“Muscle-like Artificial Molecular Actuators for Nanoparticles”为题在线发表于国际顶级学术期刊Cell的化学类姐妹刊Chem上(DOI: 10.1016/j.chempr.2018.08.030)。
图1 纳米尺度的人工分子肌肉致动器
（来源：Chem）
田禾院士简介
田禾院士，精细化工专家，华东理工大学化学与分子工程学院教授，中国科学院院士，发展中国家科学院（TWAS）院士。田禾院士主要从事精细化工尤其是功能染料的基础与应用研究，广泛涉及有机光电功能、分子机器及超分子聚合物体系。田禾院士已在国际化学与材料领域主流刊物上发表论文超过550篇，获得中国发明专利授权超过70项，SCI他引超过27,400次，h指数92。2014-2017年度田禾教授在化学领域均是国际高被引用学者“Highly Cited Researchers” （Thomson Reuters Web of Science）。
曲大辉教授简介
曲大辉，华东理工大学化学与分子工程学院教授。2006年华东理工大学化学与分子工程学院博士毕业，师从田禾院士，获全国百篇优博；随后进入荷兰格罗宁根大学诺贝尔化学家得主Ben L. Feringa教授课题组从事博士后研究。2009年回国后建立课题组进行有机功能分子机器和超分子化学的研究。近五年以第一/通讯作者在Chem. Rev., Science Advances, Chem, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Chem. Sci., Org. Lett., Chem. Commun.等国际一流杂志上发表SCI论文40余篇，所有文章SCI他引2000余次。
前沿科研成果
纳米尺度的人工分子肌肉致动器
动物体内的肌肉纤维是一种能够通过消耗化学能量来产生舒张/收缩运动的生物分子机器，承担着将化学能转换为机械能的重要任务。为了模拟这种重要的生物分子机器的功能，合成化学家试图通过有机合成的方法在实验室中构建出具有类似可逆舒张-收缩功能的人工分子肌肉。目前国际上的研究热点集中在利用共价、超分子聚合的方法实现分子肌肉的集群放大效应，使得分子级别的运动可以放大到宏观尺度，进而去执行一些类似于刺激响应致动器的功能。然而，由于分子肌肉的尺寸非常小，利用这种纳米级别的肌肉去调控纳米尺度的微观物体则成为了一种看似非常合理的设想。但是，实现这一设想仍然存在很多研究挑战：比如，如何克服单个分子肌肉本征的热力学噪音，如何实现分子肌肉与纳米物件的高效连接，如何表征这种分子尺度下分子肌肉的可逆致动，以及这些分子机器是否在表面相仍然像溶液相一样可以高效可逆的运动。
该研究团队在前期对表面超分子化学（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 15789; Adv. Mater. 2017, 29, 1604948）和机械互锁分子的高效精准合成（Chem. Sci. 2016, 7, 1696; Chem. Sci. 2017, 8, 6777）的研究基础上，成功合成了一种具有复杂互穿雏菊链结构的线性分子肌肉（图2）。这种分子肌肉可以在酸碱刺激下发生可逆的伸缩运动。其刺激响应性基于冠醚大环的[c2]雏菊链在两个识别位点之间的可控运动。在初始状态下，冠醚环与苄基烷基铵盐识别位点（蓝色位点）结合力较强，因此分子处于“舒张”状态；随后加入碱对铵盐位点进行去质子化，冠醚环失去原本和铵盐位点的强结合力，因此滑向二级识别位点甲基三氮唑单元，使得整个分子发生线性“收缩”，长度也随之变化。同时，为了使分子伸缩运动传动到纳米粒子，研究人员在分子肌肉的两端共价修饰上了六个硫醇基团，可以通过与金纳米粒子形成稳定的金硫键实现分子肌肉与两个金纳米粒子的高效连接，实现分子机器在纳米粒子表面的组装固载。
图2. 分子肌肉的结构式和伸缩机理
（来源：Chem）
然而，如果直接将这种多巯基的分子肌肉作为连接单元加入到金纳米粒子溶液中，非常容易形成纳米粒子多聚体，且团聚程度不可控。为了克服溶液相容易形成纳米粒子多聚体的缺点，研究人员利用玻璃表面对金纳米粒子强的物理吸附作用，采取了在玻璃基底表面相逐步修饰的策略（图3，A和B）。通过借助华东理工大学化学与分子工程学院龙亿涛教授发展的单颗粒光电分析平台（Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 632），研究人员成功实现了单颗粒尺度下分子肌肉可逆运动行为的光学信号输出（图3，C和D）。在单颗粒尺度下，单个纳米粒子二聚体的光学信号驱动前后可以达到大约6 nm的位移，而这一可逆的波长位移可以在单颗粒尺度下原位重复驱动至少四次。结合一系列对照试验和理论模拟结果，研究人员证明了这一观测到的光学信号确实来源于分子肌肉的可逆伸缩致动。这一结果不仅是首次在单颗粒水平上收集到分子肌肉运动的光学信号，而且更为重要的是，由于光学信号在时间维度上可积分，这也有效克服了分子肌肉的单分子热力学噪音，解决了长期以来的分子肌肉在非集群条件下的单分子热力学噪音问题，为轮烷型分子机器在单分子尺度下的信号输出和功能器件化提供了重要的解决思路。
图3. 分子肌肉致动器固载化示意图（A, B）以及分子肌肉伸缩致动前后纳米粒子二聚体的单颗粒光学信号变化监测（C, D）
（来源：Chem）
该研究成果发表于Chem（DOI: 10.1016/j.chempr.2018.08.030）。文章的第一作者是博士研究生张琦和饶斯佳博士，通讯作者是田禾院士和曲大辉教授。该工作得到了华东理工大学化学与分子工程学院龙亿涛教授和李大伟副研究员在暗场显微镜测试方面的悉心指导，还得到了上海大学特种光纤与光接入网重点实验室陈娜教授在有限元模拟上的大力帮助。该研究工作得到了国家自然科学基金委创新群体、重大项目以及“111引智计划”等资金的支持。
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