2025-12-29 16:47:44
近日，中国与荷兰科学家携手完成的一项突破性研究成果，正式发表于国际顶级期刊《自然·化学》。这项成果的核心亮点的是，研究团队首次在实验室环境中，成功合成出具有明确内外双层螺旋结构的动态高分子。值得关注的是，该分子的结构设计灵感，源自上海中心大厦的独特建筑形态。从尺寸来看，这种新型分子高度仅数十纳米、直径仅2纳米，相当于将632米高的上海中心大厦缩小至约10亿分之一，更是人类头发丝的800万分之一。实验数据证实，该材料展现出类似天然蛋白质的动态行为，既能随温度变化实现伸缩，又能在特定条件下完全解旋，最终降解为人体可吸收的小分子，无任何残留风险。这一发现，为仿生智能材料的创新研发开辟了全新路径。
此项研究由华东理工大学费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心主导完成。时间回溯至2019年，研究团队在参观上海中心大厦时，获得了关键的创作灵感。这座2016年竣工的摩天大楼，不仅是当前中国第一高楼、全球第三高楼，更凭借多项创新性技术，在超高层建筑发展史上占据里程碑地位。研究团队特别留意到，大厦独特的内外双层螺旋外观，不仅赋予建筑出色的空气动力学稳定性，其结构形态还让人联想到生命体系中的螺旋结构，例如DNA和部分蛋白质。基于这一观察，团队提出了核心科学设想：能否在非生物体系中，通过化学合成的手段，构建出具有类似几何特征与动态功能的人工高分子？
在生命体内部，螺旋结构的高分子承担着信息存储、结构支撑、催化反应等关键职能，其精密的空间构型被视作“生命密码”的物理载体。然而，在过去数十年间，尽管化学家已能够合成出螺旋结构的高分子，但这类材料大多以难降解、难回收的刚性骨架为基础，无法像天然螺旋高分子那样具备动态功能，这一缺陷严重限制了其在生物相关领域的应用价值。
为突破这一技术瓶颈，研究团队从最基础的小分子入手，尝试将氨基酸、二硫键等天然且具备生物相容性的“分子积木”，通过动态可逆的化学键连接，构建稳定的螺旋构象。不过在研究初期，团队设计的分子仅依靠氢键等弱相互作用维持螺旋结构，一旦遭遇高温或环境变化，结构便会迅速“坍塌”，无法稳定存在。
经过反复试验与优化，团队终于找到破局关键：将动态共价键（尤其是可逆的二硫键）与刚性氨基酸骨架进行巧妙结合。这种复合设计，让螺旋结构既具备必要的柔韧性，又保障了结构的稳定性。研究发现，这种新型高分子如同弹簧一般灵活，加热时会伸展变形，冷却后便能恢复螺旋原状；在碱性环境中，二硫键会发生断裂，整个分子结构会在可控范围内解聚为原始小分子，而这些小分子正是人体代谢通路中的常见组分——氨基酸和二硫小分子。
这一成果在生物功能材料领域展现出巨大的应用潜力。凭借优异的力学柔韧性、良好的生物相容性以及完全可降解的核心优势，该材料有望成为下一代可穿戴医疗设备或可植入医疗器件的理想基底材料。例如在柔性神经接口、靶向药物递送系统、组织工程支架等场景中，它既能适应人体内复杂的力学环境，又能在完成使命后被人体安全代谢，有效规避了传统高分子材料长期滞留体内引发的炎症反应或毒性风险。
化学研究的核心使命之一，是在物理规律与生命现象之间架设沟通的桥梁。从宇宙大爆炸后形成的无机小分子，到如今具备思考与创造能力的人类，大自然仅凭借20种氨基酸和4种碱基作为“序列密码”，便书写了一部从“微小”到“宏大”、从无序到有序的生命演化史诗。
在自然万物中，“小”并不等同于“简单”。以水为例，单个水分子仅由一个氧原子和两个氢原子构成，但当大量水分子在低温环境下通过氢键有序排列时，会形成蜂窝状的六边形网络，进而凝结为冰晶。据估算，雪花可能的形态组合高达10¹⁵⁸种——这一数字远超可观测宇宙中的原子总数（约10⁸⁰个）。这种从简单基元涌现出的极致复杂性，或许正是水能够成为“生命摇篮”的关键所在。
这种“微小”背后的奥秘，一直启发着一代又一代科学家。他们通过一次次精妙的分子设计，实现了诸多重大的科学发现与技术发明。1959年，物理学家理查德·费曼在《底部还有很大空间》的演讲中提出前瞻性预言：人类未来能够从单个原子或分子出发进行精准组装，构建具有特定功能的物质，并在极小的尺度上操作和控制物体。这种技术将拥有极为广阔的应用前景，这一观点也被广泛认为是纳米技术的理论起源。
此后，随着现代显微成像技术的不断发展与成熟，人类逐渐掌握了“看见”并操控单个原子的能力。上世纪80至90年代，法国科学家索瓦日、英国科学家司徒塔特先后合成出机械互锁型分子结构，这类分子能够在纳米尺度下像机器一样发生线性穿梭运动，因此被命名为“分子机器”。1999年，费林加成功研制出首个光驱动“分子马达”——这种可绕轴定向旋转运动的分子机器，尺寸不足2纳米。随后，他的团队又开发出能在金属表面定向移动的“分子车”，该分子车由4个分子马达作为“车轮”，能够像汽车一样实现直行、转弯和刹车等动作。三人因在分子机器设计与合成领域的开创性贡献，共同荣获2016年诺贝尔化学奖。
近年来，费林加团队进一步将“分子马达”嵌入金属有机框架材料中，成功实现对气体分子的光控捕获与释放，相当于在固态材料内部构建了微型“分子工厂”。未来，此类系统有望应用于精准药物递送、环境污染物清除等关键领域，展现出广阔的产业价值。
“造小”的科学技术，正持续响应着人类社会的多元需求。2023年诺贝尔化学奖授予“量子点的发现与合成”研究，这正是“造小”技术的典型代表。科学家通过将无机半导体颗粒尺寸缩小至1—20纳米范围，使电子运动受限于极小空间内，从而产生显著的量子限域效应。在这种效应作用下，材料的光、电、磁等物理性质不再仅由化学成分决定，而是强烈依赖于颗粒尺寸。这类极小的量子点可实现光电性质的精准调控，在器件制造、催化反应、传感检测、信息存储等领域展现出重要应用前景。目前，基于量子点技术的显示技术（OLED）已进入量产阶段，相较于传统有机发光二极管，其在高亮度、广色域等方面展现出明显优势。
2025年，诺贝尔化学奖授予金属有机框架材料领域，这一成果同样可归入“造小”技术的范畴。研究人员通过金属离子与刚性棒状分子的框架组装，制造出具有特定几何尺寸的三维孔道结构，这些孔道的孔径仅为几纳米，因此能够对特定尺寸的气体分子展现出选择性吸附特征，可实现工业气体的富集、储存和分离等功能应用。目前，基于金属有机框架材料的空气取水装置已在非洲干旱地区开展试点应用，每公斤材料每日可从低湿度空气中捕获数升淡水，为解决全球水资源危机提供了全新方案。
在信息科技领域，分子机器同样拥有巨大的应用潜力。司徒塔特团队曾于2007年演示过一种基于分子穿梭运动的存储器件，该器件可利用分子机械互锁结构实现分子级别的单向运动，并通过光、热或电场等外部刺激控制分子状态的切换，从而实现数据的读写操作。从理论层面来看，这一分子机器芯片每平方厘米可存储100GB数据。尽管目前该技术尚处于概念阶段，但其突破现有硅基芯片存储能力极限的前景令人期待。
在医学领域，费林加团队正全力研发可在人体内靶向清除病变细胞的纳米机器人。在理想状态下，这类尺寸仅为2纳米的分子转子（具备旋转结构的分子机器），可通过高速旋转在癌细胞膜上打孔，实现对癌细胞的精准杀伤。目前，该技术的应用还存在一些技术瓶颈，例如如何利用穿透性更强的近红外光驱动转子运转、如何提升对病变细胞的识别特异性等。一旦这些瓶颈得到突破，将对分子医学的研发产生重要意义。
尽管“造小”技术近年来发展日新月异，但在研发和应用过程中仍面临多重挑战：原子级成像与操控设备成本高昂，适用场景有限；微观世界的动态复杂性使得对分子结构的精准控制极为困难；从单一功能分子到集成系统的跨越需要长期的技术积累。但可以预见的是，随着人工智能辅助分子设计、自动化合成平台和新型表征技术等相关领域的不断发展，“造小”的科学艺术必将加速向规模化、工程化技术转化。未来，这类新型材料有望在可持续能源、智能穿戴、精准医疗和环境治理等领域深度融入人类日常生活，为社会发展带来全新变革。