唐本忠院士Matter：还原论or整体论？哲学问题的科学解答 | Cell Press论文速递
物质科学
Physical science
还原论和整体论是两种被广泛接受的哲学方法，用于理解整体与其组成部分之间的关系。但，整体究竟是等于还是大于部分之和，仍然存在争论。
2024年6月25日，香港科技大学及香港中文大学（深圳）在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上发表了题为“Is the Whole Equal to, or Greater than, the Sum of its Parts? The Similarity and Difference between Molecules and Aggregates”的研究论文。作者利用TPE-NS这一同时带有铵根和磺酸根离子的四苯乙烯衍生物构建了两种离子聚集体，并展现出完全不同的结构决定行为。具体而言，TPE-NS-α的聚集体结构由其溶液中具有自由构象的单分子决定，而TPE-NS-β中扭曲的分子构象则由聚集体这一整体所决定。这一完全相反的结构决定行为最终影响了聚集体的性质。其中，TPE-NS-α的光致变色（PC）和TPE-NS-β的光致发光（PL）行为是非活性的，这与它们在溶液中的性质相似。然而，TPE-NS-α中的PL和TPE-NS-β中的PC是活性的，这与溶液中的情况有所不同。通过研究单分子和聚集态下的构效关系，并进一步探索聚集前后这一关系的转变，可以作为理解整体究竟是等于还是大于其部分之和的可行方法。
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亮点：
探究聚集过程中构效关系的转变；
聚集体可能反过来影响分子的结构和行为；
离子间相互作用是调控聚集体结构的一种强作用力。
进展及启示：
当前关于整体与部分究竟谁决定谁的争论引起了广泛的兴趣。本研究从单个分子和聚集体水平研究了构效关系，促进了对分子在聚集前后结构和性能转变的系统探索，突出了利用聚集体科学作为指导思想去研究整体与部分之间关系的可行性。此外，通过对构效关系的深入研究，作者意外地发现聚集体使分子能够获得扭曲构象，而这一扭曲构象在单分子态下是热力学不稳定的，表明聚集体可以反过来影响分子的结构和行为。这一意外发现可能会激发对聚集体工程的研究兴趣。此外，作者还展示了离子间相互作用在构建、稳定和调控聚集体内单个分子构象中的关键作用，从而激发了进一步探索离子聚集体的研究热情。
背景介绍：
整体与部分之间的关系是一个古老的哲学命题，也是人们一直在探讨的重要关系，那么怎么去研究整体与部分究竟存在着什么样的关系？由于整体过于复杂，为了研究它，有一种方法就是将其简化，即将复杂的整体分割为简单的部分，在将部分的性质和行为研究清楚后再简单外推至整体，从而理解整体的性质和行为。这种方法论是基于整体等于部分之和的假设，对应着哲学上的还原论。在很多时候还原论是可行的，如机器是由零件组成。当零件组装成一个整体，这个整体就表现出部分的功能之和。在物质科学中，分子被认为是物质的零件，人们往往认为当分子的构效关系研究清楚后，物质的性质就能从分子简单外推到整体得到。这种还原论思想被人们广泛应用到材料学，物质科学，生命科学等领域。
但事情并非总是这样。如，在生命科学中，组成生命的基本分子都是死的，它们的性质研究的如何透彻，也无法通过从分子的简单外推得到鲜活的生命体，更别说借助于这些死的分子去理解生命体的性质和行为。这表明系统作为一个整体并非往往是简单的部分之和。目前认识论的指导思想还是以还原论为主，但也有很多案例表明，当部分聚集的时候，它在每一个层次都会涌现出新的结构，并带来新的性质，这体现的就是整体论所倡导的物质的性质和行为并非部分的简单叠加，甚至有些时候整体决定了部分的结构和行为。那么问题来了：在什么情况下整体等于部分之和，又在什么情况下，整体不是部分之和呢？为了回答这个问题，就需要在分子层次研究构效关系的同时，进一步在更高的结构层次、更复杂的系统，即聚集体，去研究构效关系。这一方法似乎在帮助我们更好理解部分与整体关系中值得尝试，尽管在聚集体层次研究构效关系仍然存在巨大挑战。
本文中，作者设计了一种同时带有阴阳离子基团的TPE双离子衍生物（TPE-NS，图1）。在仔细研究对比其分子层次和两种不同聚集体层次的构效关系后发现，TPE-NS聚集后可以保留分子的行为，也可以涌现出完全不同的行为，而这些行为取决于其聚集体的结构，即聚集体的结构决定了聚集体的行为。这项研究很好地展示了通过同时研究分子及聚集体层次的构效关系确实有助于对整体与部分关系的理解。
结果
光致变色行为的构效关系
传统观点认为，一个整体的结构由其组成部分决定。然而，作者的研究结果挑战了这一观念，并表明在某些情况下，情况可能正好相反。换句话说，整体也可以决定其组成部分的结构。通过比较溶液中及聚集体TPE-NS-α的单分子构象，发现它们具有相似性。这意味着TPE-NS-α的形成过程在很大程度上保留了溶液状态下分子的结构特征，因此其PC活性与溶液状态保持一致（图1，2）。这证明了部分决定整体的结构和行为的合理性，与还原论的指导原则相一致。然而，当比较聚集态TPE-NS-β中与溶液中的分子构象时，则出现了不同的趋势。由于聚集过程中出现的剧烈离子间相互作用克服了TPE骨架内苯环之间的立体排斥作用（这一立体排斥作用阻碍了形成具有较小DC-C和θPh的PC活性构象，图1，3）。这导致TPE-NS-β中单分子的扭曲构象，使溶液中的热力学不稳定状态成为聚集体中的热力学稳态。因此，PC活性得以被激活，使聚集体涌现出新的性能。这一现象展示了整体决定其组成部分的结构，并进而决定其行为的典型特征，与整体论的原则相一致。
图1 TPE-NS的合成路线及其在单分子水平上的结构-性质研究。
(A) TPE-NS的合成路线；(B) DMSO溶液中TPE-NS在强紫外光（s-UV）照射前后的颜色变化；(C) TPE-NS的分子结构（θPh2-3: P2和P3苯环之间的二面角，DC2-C3: P2和P3苯环邻位的C2和C3之间的距离）；(D) DC2-C3和相对能量（ER）与θPh2-3的关系图；(E) 不同θPh2-3下TPE-NS的LUMO分子轨道振幅。
图2 TPE-NS-α在聚集水平上的结构-性质研究。
(A)分别是TPE-NS-α在s-UV照射前后的照片；(B) TPE-NS-α中一个磺酸离子的离子相互作用；(C) TPE-NS-α中离子-离子和离子-甲醇相互作用的俯视图；(D) TPE-NS-α的层间结构侧视图；(E) TPE-NS-α在单晶中的分子构型；(F) TPE-NS-α中θPh2-3的视图；(G, H) TPE-NS-α的HOMO和LUMO的分子轨道振幅。
图3 TPE-NS-β在聚集水平上的结构-性质研究。
(A) TPE-NS-β在s-UV照射前后的照片；(B) TPE-NS-β中一个磺酸离子的离子相互作用；(C) TPE-NS-β中的离子相互作用的俯视图；(D) TPE-NS-β的层间结构的侧视图；(E) TPE-NS-β中的单分子构型；(F) TPE-NS-β中θPh2-3的视图；(G, H) TPE-NS-β的HOMO和LUMO的分子轨道振幅。
分子和聚集体之间的相似性和差异性
除了PC活性，PL活性也是TPE及其衍生物的另一个重要性质。在这里，作者尝试从一个更为系统的角度比较和研究TPE-NS在溶液态、聚集态TPE-NS-α和TPE-NS-β三种不同状态下的PC和PL行为。如图4所示，在溶液态下，TPE-NS表现出非活性的PC和PL行为。另一方面，TPE-NS-α展现出PC非活性和PL活性，并且其PL强度在s-UV照射后没有明显变化。有趣的是，TPE-NS-β在w-UV下表现PC和PL的双活性，但在s-UV照射后，其PL在w-UV光下几乎完全消失。
在溶液态下，较大的DC-C和θPh在一定程度上限制了光致环化诱导的PC，且分子的自由运动导致荧光的失活。正如前面讨论的，TPE-NS-α在溶液中保持了自由分子构型，因此在PC活性方面表现出类似的非活性。然而，从溶液到聚集态的转变会导致分子周围的环境发生显著变化。在聚集体中，分子从溶液中的自由运动态转变为运动受限态，从而激活了TPE-NS-α的PL活性。对于TPE-NS-β来说，情况更加复杂，但更有趣。由于在形成过程中剧烈离子间相互作用驱动下的紧密堆积，TPE-NS-β中的分子具有较小的DC-C和θPh值，使其更容易在s-UV照射下发生光致环化，并表现出PC活性。与TPE-NS-α类似，TPE-NS-β在w-UV照射下表现出PL活性，这是由于在聚集体中的受限运动。然而，在经过s-UV照射后，荧光在w-UV下几乎完全消失。这是因为TPE-NS分子保持了环化结构，从而猝灭了PL。
图4 TPE-NS的详细PC和PL性能。
(A)TPE-NS在DMSO溶液中、TPE-NS-α和TPE-NS-β在白天光线和弱紫外光（w-UV）下，经过s-UV照射前后的照片；(B) TPE-NS-α和TPE-NS-β在不同功率密度下经过UV照射后G/G0的变化。G0：UV照射前的灰度。插图：日光下的样品；(C) 在不同能量密度下经过UV照射后灰度的变化。G0：UV照射前的灰度。插图：w-UV下的样品；(D) TPE-NS在DMSO溶液中、TPE-NS-α和TPE-NS-β在s-UV照射前后的吸收光谱；(E) TPE-NS-β在经过s-UV照射后的时间依分辨UV-vis反射光谱。
整体与其组成部分之间的关系
通过讨论TPE-NS在单分子和聚集态下的构效关系，作者揭示了TPE-NS中整体与其组成部分之间的基本关系，即整体究竟是等于还是大于其部分之和。TPE-NS-α的PC非活性和TPE-NS-β在s-UV照射后观察到的PL非活性，类似于溶液状态下分子的特性，支持了1+1=2的观念。另一方面，TPE-NS-α的PL活性和TPE-NS-β的PC活性相对于溶液状态下的分子行为而言是涌现的性能，突显了1+1>2的原则。整体究竟是等于还是大于其部分之和取决于整体和其部分之间结构的关系。当整体的结构与其部分相似时，它可能保留其部分的某些行为。而当两者有所不同时，往往意味着整体中将涌现出有别于部分的新行为。
高稳定性及信息加密领域的应用
以往的报道中，PC小分子普遍的应用方式是将其粉末直接做成花样，但这种应用形式存在小分子难以自支撑的缺陷，因而难以产业化。相比于小分子，聚合物由于具备很好的自支撑性和可加工性而被广泛应用于各个领域。将小分子以掺杂的形式与聚合物一同使用，则在克服小分子自支撑性缺点的同时，又能充分发挥小分子的功能型。但掺杂过程往往会带来小分子所处环境的剧烈改变，因而其聚集态结构总会面临考验，如被溶剂溶解、被高温破坏、被聚合物的包裹环境压迫等，从而导致其功能性的改变甚至丧失。这就需要小分子的聚集体在面对这些考验时表现出足够的稳定性。如图5所示，得益于剧烈的离子间相互作用，TPE-NS-β展现出优异的溶剂耐受性、热稳定性及聚合物掺杂稳定性，为其实际应用提供了重要支撑（图6）。
图5 TPE-NS在溶剂、加热和聚合物混合中的高稳定性。
(A)TPE-NS-β在不同溶剂中的不溶性；(B) TPE-NS-β和TPE-N的热重分析曲线；(C) TPE-NS-β在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）混合膜中PC的可逆性，以及其PC和恢复过程。
图6 TPE-NS-α和TPE-NS-β与PMMA混合作为信息加密墨水的应用。
(A)TPE-NS作为聚合物基质中功能颜料的应用示意图；(B) 数字卡的编码步骤；(C) 在不同光照条件下监测时的解码数字。
结论
还原论和整体论是理解整体与部分之间关系的两种哲学思想。还原论主张整体是部分之和，而整体论则强调物质作为一个整体，影响了整体的性质和行为，即整体大于部分之和。作者以TPE-NS在单分子态以及在TPE-NS-α及β这两种聚集态下探讨其结构与PC和PL行为间的关系为例，证明了在部分和整体这两个层面上去研究他们的构效关系能够帮助理解整体与部分的关系，从而更清晰的理解什么时候整体等于部分之和，什么时候整体大于部分之和。惊喜的是，通过在分子及聚集态维度下探讨构效关系，作者发现了一个有意思的现象，即在TPE-NS-α中，聚集态的结构由单分子的结构决定（这很好理解），而在TPE-NS-β中，单分子的结构则由聚集态的结构决定。这表明聚集体的结构可以决定分子的结构，从而决定分子的性质和行为。这打破了分子决定聚集体的结构，从而决定聚集体的性质和行为这一常规认知，从而鼓舞人们在聚集体的层次去调控分子的结构和行为。这无疑将激励聚集体工程学的研究和发展。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社
旗下期刊Matter上，
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▌论文标题：
Is the whole equal to, or greater than, the sum of its parts? The similarity and difference between molecules and aggregates
▌论文网址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590238524003217
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.06.002
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