【人物与科研】港科大唐本忠院士和德克萨斯大学奥斯汀分校Jonathan L. Sessler教授：AIE软魔方实现宏观组装动态化

导语

静态和动态组装现象在自然界普遍存在，并一直启发着科学家们构建更为先进的材料。相比于被广泛研究的静态组装领域，组装的动态化仍然是化学和材料领域最具挑战性的课题之一。近日，香港科技大学唐本忠院士课题组与德克萨斯大学奥斯汀分校Jonathan L. Sessler教授合作，在此方面取得了突破性进展（Adv. Mater. 2019, 1902365）。

唐本忠院士简介

唐本忠，中国科学院院士，（英国）皇家化学会会士，香港科技大学张鉴泉理学教授、化学系与生物医学工程系讲座教授，广州华南理工大学教授，深圳大学AIE研究中心名誉主任。现为科技部973计划项目首席科学家、国家自然科学基金基础科学研究中心项目负责人、广东省引进创新科研团队带头人，以及中国化学会和英国皇家化学会联合期刊Materials Chemistry Frontiers主编。唐本忠教授累计发表学术论文1000余篇，论文被引用近80000余次，H指数为131，并于2014-2017年连续入选化学和材料双领域高被引科学家。

唐院士先后获得多项荣誉及奖励，包括国家自然科学二等奖、Croucher基金会高级研究员奖、中国化学会王葆仁奖和Elsevier杂志社冯新德奖、何梁何利基金科学与技术进步奖。2016年，AIE纳米粒子被Nature列为支撑即将来临的纳米光革命的四大纳米材料之一，并是唯一一种由中国科学家原创的新材料；同年，美国CNBC电视台以“Year of Cancer”的主题，实况专访唐院士，向全球直播介绍AIE荧光探针在识别癌症细胞等领域的应用；2018年初，以第一项目完成人身份凭“聚集诱导发光”项目获得2017年度国家自然科学一等奖。

前沿科研成果

AIE软魔方实现宏观组装动态化

在自然界，组装现象普遍存在，从分子层面上蛋白质的形成，到生物体从细胞到组织到器官到系统的逐级构建，都是通过组装实现的；而生物体在这种多级形成的复杂组装体的基础上，又可以通过诸如发育等生命过程最终实现组装体的动态化。本着“向自然界学习”的科研策略，科学家们一直在努力实现人造材料的仿生多级组装构造及其动态化，以达到人们对材料性能和功能的更高要求。然而，目前科研工作者对组装的研究还主要集中在静态领域，组装的动态化仍然是化学和材料领域最具挑战性的课题之一。近日，香港科技大学唐本忠院士课题组与德克萨斯大学奥斯汀分校Jonathan L. Sessler教授合作，通过发光软魔方这一模型的构建及其变化过程的展示，为我们提供了一种动态组装先进材料的设计和构建策略。

他们采用高强度聚乙二醇水凝胶作为软魔方基体，利用酰腙键这一经典的动态共价键作为动态组装驱动力，以及颜色跨度从蓝色到红色的一系列AIE化合物作为不同发光颜色来源，通过逐级组装得到了AIE软体水凝胶魔方（图1）。

图1（a）AIE软魔方的设计示意图；（b）凝胶因子聚合物和水凝胶网络化学结构示意图；（c）所用到的AIE化合物的分子结构。说明：Rubik’Cube的名称和图案使用均获得Rubik品牌有限公司的许可。Credit：X. Li et al./Adv.Mater./Rubik’s Brand Ltd.

（来源：Adv. Mater.）

酰腙键，作为一种动态共价键被广泛应用于自愈合材料的制备，其愈合效率具有时间依赖性（随着时间的增加，体系愈合效率增加），而其分子机制是酰腙键的可逆交换有着时间依赖性（图2）。

图2 （a）两个水凝胶单元宏观粘结的时间依赖性示意图；（b）、（c）两个水凝胶单元宏观粘结力学强度的时间依赖性。

（来源：Adv. Mater.）

利用动态共价键这一特点，作者创新性地通过时间的控制，实现了软魔方组装体的动态化。六个具有不同荧光颜色的AIE活性水凝胶膜分别粘附于一个空白水凝胶立方块的六个面上，通过长时间（24小时）的相互作用，膜与块通过强的粘附力组装成一个整体，构成了魔方的基元（HG-C）（图3a）。随后，27个此基元又进一步组装，通过短时间（1小时）的相互作用，得到了亚稳态的魔方（图3b、c）。通过时间的控制，基元间有着适中的相互作用力，既使魔方整体稳定，又具有灵活性，可以在外力施加下实现组装体的动态化。在施加外力的情况下，魔方可以通过横向转动（图4a）、纵向转动（图4b）和复合转动（图4c）实现图案的还原。

图3 （a）AIE软魔方基元HG-C的制备；（b）AIE软魔方的制备；（c）AIE软魔方的稳定性。

（来源：Adv. Mater.）

图4 （a） AIE软魔方的横向旋转还原；（b）AIE软魔方的纵向旋转还原；（c）AIE软魔方的复合旋转还原。

（来源：Adv. Mater.）

另外，由于与传统机械硬魔方的构建机制不同，此报道中的AIE软魔方还可以实现非原位（ex situ）还原（图5a）。由于魔方基元间的相互作用力相对弱，基元可以被拆卸，旋转后再复位，也可通过拆卸-装配过程实现魔方维度的改变（图5c）。刺激响应性AIE化合物可以被引入魔方水凝胶中，从而化学刺激也可以实现魔方图案的还原（图5b）。由于界面组装的动态性和AIE分子的刺激响应性，此AIE软魔方的上述独特性质是传统机械硬魔方无法实现的。

图5 （a）AIE软魔方的非原位（ex situ）还原；（b）AIE软魔方的化学刺激还原；（c） AIE软魔方的维度变换。

（来源：Adv. Mater.）

总结：

作者以高强度AIE水凝胶为材料基元，利用动态共价键的时间依赖性，通过简单的时间调控，在同一体系中既实现了层级组装，又完美展示了组装的动态化。这一工作为宏观动态组装的实现提供了新策略，同时为发光功能化先进材料的开发提供了新的方案。该工作以“A Functioning Macroscopic “Rubik’s Cube” Assembled via Controllable Dynamic Covalent Interactions”为题发表在Adv. Mater.（Adv. Mater. 2019, 1902365）上，第一作者为香港科技大学博士后吉晓帆博士和黎朝博士，通讯作者为香港科技大学唐本忠院士和德克萨斯大学奥斯汀分校Jonathan L. Sessler教授。文章第一单位为香港科技大学。

此工作发表后，Nature, C&EN, Advanced Science News等知名媒体对其进行了如下亮点报道：

Nature亮点报道：

https://www.nature.com/articles/d41586-019-02391-0。

C&EN亮点报道：

https://cen.acs.org/materials/Rubiks-cube-chemical-twist/97/web/2019/08。

Advanced Science News亮点报道：

https://www.advancedsciencenews.com/a-new-take-on-an-old-game/。

论文信息：Xiaofan Ji#, Zhao Li#, Xiaolin Liu, Hui-Qing Peng, Fengyan Song, Ji Qi, Jacky W. Y. Lam, Lingliang Long, Jonathan L.Sessler,* and Ben Zhong Tang*；A Functioning Macroscopic “Rubik’s Cube” Assembled via Controllable Dynamic Covalent Interactions；Adv. Mater. 2019, 1902365，DOI: 10.1002/adma.201902365。

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