【材料】怎样隔空取物：响应材料能给你答案

高分子概念由来已久，初期的纤维等高分子材料自从被发现就得到了人们的广泛关注。随着材料学科的发展，高分材料则被应用到一些特殊功能性材料中。而近些年来，医学、电子、信息等学科的快速发展使得人们对高分子材料的性能要求越来越高，如今，好的高分子材料不仅需要具有结构材料所具有的性能，而且需要一些更为“智能“的特性即所谓的智能化材料。在20世纪70年代，日本化学家发现当聚丙烯酰胺材料在冷却的状态下，该材料将会由澄清状态变为浑浊状态，然而当升高温度的时候，聚甲基丙烯酰胺又变回为澄清状态，这种对外部环境变化具有响应的特性拉开了智能化高分子材料的序幕。之后，随着超分子化学进入到人们的视野，一些高分子传感器、人工器官、分离膜等高分子智能材料等也相继出现。

近日，荷兰格罗宁根大学Franco King-­Chi Leung博士和B. L. Feringa教授联手报道了一种混合超分子材料，这种材料是由磁性四氧化三铁纳米颗粒（Fe₃O₄ nanoparticles, FNP）和具有分子马达特性的超分子纳米纤维组成，因此可以通过光及磁场对材料的结构及形貌进行调控，使得其能够产生明显的形态变化，该团队借助材料的这种特性成功地通过光及磁场驱动混合材料移动了一小片纸屑。该成果以”Dual-­Controlled Macroscopic Motions in A SupramolecularHierarchical Assembly of Motor Amphiphiles”为题发表于《德国应用化学》（DOI: 10.1002/anie.201905445）。

图1. MA_His的合成路线

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

材料中超分子纳米纤维由一种两亲的分子马达MA_His组装形成，而MA_His是通过传统的MA_C10与L-组氨酸甲酯缩合得到（图1）。具体来说，MA_C10先和L-组氨酸甲脂进行酰胺缩合反应得到中间体1，接着1在碱性溶液中进行水解脱去甲基便得到了含有羧基的MA_His。由于MA_His分子能在溶液中进行自组装，因此作者首先通过尼罗红测试了其临界聚集浓度（3.15 μM）并在此浓度之上通过冷冻电镜对新配制MA_His溶液进行了结构表征，结果表明溶液中的MA_His分子会自发地组装成长约50-100 nm左右的纤维状结构，并且该结构可以稳定存在一个多星期。值得注意的是，纳米纤维在后续的时间里会逐渐生长到几百纳米，不过直径却不会发生变化（7-8 nm）。之后作者通过FeCl₂与FeCl₃的混合溶液对MA_His组装体进行修饰，结果发现绝大部分的纳米颗粒都处于纳米纤维的表面，这说明纳米颗粒的成核及生长是在纤维表面进行的。但是在相同条件下，MA_C10纳米纤维表面的纳米颗粒相对较少，这表明MA_His分子中的组氨酸对Fe₃O₄纳米颗粒的形成具有极大的影响。

图2. 光及磁场调控的材料弯曲实验及其对宏观物质的运输

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

在了解了MA_His/FeNP的基本性质后，作者便开始研究它对光及磁场的响应性能（图2）。首先，为了增加MA_His/FeNP的取向性及机械稳定性，作者通过混合MA_His/FeNP和MA_C10两种材料得到了一种线条状混合材料，对这种材料进行光照可以发现它对光具有响应性，在光照25 s后，材料的弯曲角度从10°增加到了90°，而磁场也会对混合材料产生类似的效果。

最后，作者尝试通过光控及磁场控制对材料的运输性能进行了研究（图2）。实验结果表明，在两种外部刺激条件下，混合材料可以实现宏观物质的运输。

全文作者：Ben Lucas Feringa, Franco King-ChiLeung, Marc C. A. Stuart, Takashi Kajitani and Takanori Fukushima。