南开大学王维教授课题组与德国合作者合作:解开立方相囊泡形成之谜

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自组装科学研究的核心目的是通过非共价键将预设计的组装基元自发地组装成有序的超分子结构或者纳米结构，创造具有特殊功能的新材料。在这个核心目的驱动下，自组装科学研究取得了一系列的重大进展。两亲分子（Amphiphiles）是最重要的组装基元之一，其组装原理是构筑功能新材料的重要战略。目前的挑战包括创造非脂质和非嵌段共聚物的新构筑基元，以及组装特殊功能的新材料。

团簇（Clusters）是结构明确的分子。因为它们的大小通常介于原子和纳米粒子之间，也称为纳米团簇（Nanoclusters）。由于团簇的结构和组成的多样性而赋予它们特殊的性质和功能，而且，这些性质和功能与原子和纳米晶(或固体)的性质和功能有明显的差异。因此，纳米团簇是创造具有先进功能的新型材料的理想基元。虽然团簇结晶是制备团簇材料最简单、最有效的方法，但是，将异质团簇组装成有序结构的团簇材料仍是挑战性的课题。

在过去几年里南开大学王维教授课题组，受两亲分子自组装原理的启发，被纳米团簇功能所吸引，独辟蹊径，原创性地设计并合成了异质团簇两亲分子（Heterocluster Janus Molecules，HCJMs），构筑了脂质已经和尚未组装形成的纳米结构，为创造异质团簇材料开辟了新的途径【1-7】。

图1. 哑铃形的HCJMs。设计并合成这些分子的目的是研究OL的长度、刚柔性和对称性等因素对自组装结构的影响。

在研究工作中，王维教授课题组选择多金属氧酸盐团簇（Polyoxometalates，POM）与笼型倍半硅氧烷团簇（Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes，POSS）来设计异质团簇两亲分子，并合成了一系列结构为POM-OL-POSS组装基元，其中OL为有机连接链（图1）。课题组工作中选用的POM复合物的分子式为(Bu₄N)₆H₃(P₂W₁₅V₃O₆₂)，分子量为5422.2。复合物的阴离子核接近椭圆，长轴约为1.2 nm，短轴约为1.0 nm。复合物间的相互作用是(Bu₄N⁺)操控的静电作用。复合物能够溶解在强极性的溶剂里，比如丙酮等。POSS簇具有一个有硅氧烷(O-Si-O) 形成的、直径约为0.5 nm的立方核。八个异丁基功能化的POSS直径约为1.3 nm，分子量为873.6。异丁基功能化的POSS间的作用力是van der Waals力，因而它们能够溶解在弱极性的有机溶剂中，比如正癸烷等。通过共价键将它们连接在一起，形成POM-OL-POSS分子。选用了不同的有机连接链，合成了一系列的POM-OL-POSS分子（图1），其优点如下：1. 哑铃形的POM-OL-POSS具有原子精确的分子量和可计算的分子堆积参数（图2）；2. POM和POSS溶解性的差异赋予POM-OL-POSS两亲特性，因此，在选择性溶剂中，能组装成多种多样的组装体；3. POM-OL-POSS的分子长度约为3到5纳米，与脂质的长度相当，组装体的结构也相同，获得的结果有益于了解两亲分子的组装结构与过程；4. 强的POM间的反离子操控的静电作用能够帮助稳定形成的组装结构。在溶液中组装形成稳定的结构，无需特殊处理就可直接进行TEM等表征；5. 由于POM含有十五个钨原子，在TEM下观察时，无需染色处理；6. 在 TEM 中观察到单颗的 POM，可深入了解 POM 的排列规律。

图2. POM-OL-POSS的结构（A）、高分辨率质谱（B）和计算分子堆积参数定义几何参数（C）。

在最近发表的工作，王维教授课题组选用几个POM-OL-POSS分子，配置成丙酮溶液，然后加入正癸烷。在体积比丙酮/正癸烷 = 6/4时，溶液依然澄清，无Tyndall现象。由于丙酮的挥发系数约为正癸烷的80倍，当瓶口打开后，丙酮逐渐挥发，导致溶剂逐渐转变为亲POSS的溶液，POM-OL-POSS分子随之发生组装【7】。

SEM表征显示，组装体为平均直径为800纳米的粒子（图3A），粒子的形状为截角八面体（图3B）。用TEM发现粒子中存在着有序排列的结构（图3C）。SAXS表征说明结构为具有Pn3m对称的D-surface双连续液晶相结构（图3D）。图3E示意这种结构的晶胞特征，即由红色和蓝色的管表示两个互不相同的钻石管道构筑而成。至此，证明了组装形成从粒子是一种包含Pn3m对称的D-surface双连续液晶相结构的立方相囊泡（Cubosomes）。

图3. （A）组装形成的亚微米粒子的SEM照片。（B）粒子的形状为截角八面体。（C）TEM显示粒子里的精细结构。（D）SAXS图说明结构具有Pn3m对称的D-surface双连续液晶相结构。（E）一个双连续液晶相结构的晶胞，红色和蓝色的管表示两个互不相通的钻石结构管道。（F）包含这种双连续液晶相结构的立方相囊泡。经许可复制。Copyright 2019 American Chemical Society.

图4.（A）通过将双连续液晶相结构的立方相囊泡旋转0、35和54°获得的双钻石结构的HAADF-STEM图像。（B）对应的FFT图，其中标注了对应的Miller指数。（C）FFT过滤后对应照片的特写图像。亮区域是POM丰富的，而暗区域是POSS丰富的。（D）从双钻石结构的数学模型获得的在[111]、[110]和[100]方向上结构。（E）模拟投影对应于D中的结构。经许可复制。Copyright 2019 American Chemical Society

在TEM观察中，常常发现对同一个样品表征时，获得TEM照片显示“不一致的”有序结构。为此，王维教授课题组与德国Karlsruhe Institute of Technology的Christian Kübel博士和Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik的Michael Godehardt先生合作，采用高角圆形暗场-扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）三维表征立方相囊泡，并三维重构内部的立方相结构，最后采用Pn3m对称的D-surface双连续液晶相结构的数学模型，绘制了立方相囊泡的三维结构，并用通过数学模拟，证实当将一个立方相囊泡旋转到0、35和54°拍摄的照片是该立方相囊泡在立方相的[111]、[110]和[100]方向的结构（图4）。

图5. （A）TEM照片显示在生长条件下自组装聚集体从囊泡到立方相囊泡的演变。（A-1至A-7）囊泡、半融合的囊泡、具有泡沫状结构的颗粒、具有海绵状纳米结构的聚集体、聚集体中心的有序纳米结构（由黄色圆圈突出显示），球形立方相囊泡和刻面的立方相囊泡。（B）通过不同机制完成从分子到刻面立方体的演变。经许可复制。Copyright 2019 American Chemical Society

由于TEM可直接表征HCJM分子形成的稳定自组装聚集体，跟踪观察说明了自组装聚集体的演变过程：囊泡形成、囊泡聚集、海绵结构聚集体形成、海绵结构聚集体中心形成有序结构、球形立方相囊泡形成和刻面的立方相囊泡形成（图5A），从而揭示了从分子到刻面立方相囊泡的机理为：分子自组装、囊泡聚集、拓扑学重组、结构有序化和生长等步骤（图5B）。

总结前面的陈述，该研究工作清楚地说明了前期研究的思想和获得的结果，即受脂质自组装原理的启发，被纳米团簇功能所吸引，独辟蹊径地设计并合成了异质纳米团簇的哑铃两亲分子（HCJMs），通过溶液自组装构筑了一种立方相囊泡，并通过跟踪组装的过程，阐明了组装的机理，探索出超分子构筑新基元与自组装的自主创新思路。

展望未来，王维教授课题组期望研究由纳米团簇构筑的立方相囊泡的功能，发展成新型的团簇材料。更期望本工作观察到的组装过程和阐明的组装机理，帮助正确地理解如何将药物包覆在立方相囊泡中。最后，还期望Nestlé的研究人员在读到该论文后，受到启发，早日生产含咖啡因的立方相囊泡，让靠咖啡因提神的人们每天早上喝一杯这样的咖啡，整天都有精力工作【8】。

致谢：本文为纪念南开大学建校100周年而写。感谢国家自然科学基金项目（21334003和21674052）提供的资助。

论文信息及链接：

Hong-Kai Liu, Li-Jun Ren, Han Wu, Yong-Li Ma, Sven Richter, Michael Godehardt, Christian Kübel, and Wei Wang, Unraveling the Self-Assembly of Hetero-Cluster Janus Dumbbells into Hybrid Cubosomes with Internal Double Diamond Structure, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 831–839.

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.8b08016

【1】 M.-B. Hu, Z.-Y. Hou, W.-Q. Hao, Y. Xiao, W. Yu, C. Ma, L.-J. Ren, P. Zheng, W. Wang, POM-Organic-POSS Cocluster: Creating A Dumbbell-Shaped Hybrid Molecule for Programming Hierarchical Supramolecular Nanostructures, Langmuir 2013, 29, 5714.

【2】 侯占要，胡敏标，王维，多金属氧簇与倍半硅氧烷簇构筑的簇-簇杂化分子的合成及自组装结构，化学学报，2014，72，61.

【3】 C. Ma, H. Wu, Z.-H. Huang, R.-H. Guo, M.-B. Hu, C. Kübel, L. T. Yan, W. Wang, A Filled-Honeycomb-Structured Crystal Formed by Self-Assembly of a Janus Polyoxometalate–Silsesquioxane (POM–POSS) Co-Cluster, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 15699.

【4】 H. Wu, Y.-Q. Zhang, M.-B. Hu, L.-J. Ren, Y. Lin, W. Wang, Creating Quasi Two-Dimensional Cluster-Assembled Materials through Self-Assembly of a Janus Polyoxometalate-Silsesquioxane Co-Cluster, Langmuir 2017, 33, 5283.

【5】 L.-J. Ren, H. Wu, M.-B. Hu, Y.-H. Wei, Y. Lin, W. Wang, Self-Assembly of Achiral Shape Amphiphiles into MultiWalled Nanotubes via Helicity-Selective Nucleation and Growth, Chem. Asian J. 2018, 13, 775.

【6】 X.-S. Hou, G.-L. Zhu, L.-J. Ren, Z.-H. Huang, R.-B. Zhang, G. Ungar, L.-T. Yan, W. Wang, Mesoscale Graphene-Like Honeycomb Mono- and Multi-Layers Constructed via Self-Assembly of Co-Clusters, J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 1805.

【7】 H.-K. Liu, L.-J. Ren, H. Wu, Y.-L. Ma, S. Richter, M. l. Godehardt, C. Kübel, W. Wang, Unraveling the Self-Assembly of Hetero-Cluster Janus Dumbbells into Hybrid Cubosomes with Internal Double Diamond Structure, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 831.

【8】 http://www.nestle.com/media/news/cubosome-science-slow-caffeine-comedown.

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