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  分子自組裝是生命活動的重要基礎。但是長期以來，化學家通過人工方法實現的分子自組裝與生命體中實際發生的分子自組裝行為相去甚遠，其中一個重要的原因就是二者在熱力學上有著很大的差別。目前為止，化學家通過人工方法實現的分子組裝體多為熱力學平衡態下的產物。而生命體中的分子自組裝則多是在外界能量的驅動下完成的，所形成的功能性有序結構也多為熱力學非平衡態的“臨時”結構，比如蛋白質的磷酸化、神經沖動的傳導以及細胞骨架的形成等。當相應的生物功能完成后，隨著外界能量的耗散，這些功能結構又逐漸解體或退化為熱力學平衡的“非活性”狀態。近年來，人們引入了“耗散自組裝”的概念，來描述這種能量驅動的、臨時性的、處于熱力學非平衡態下的組裝行為。與分子在熱力學平衡態下的“靜態”自組裝相比，分子的耗散自組裝有著不同的規律，且具備更加豐富的功能。

  近日，哈爾濱工業大學微納米技術研究中心的劉紹琴教授團隊利用聚乙二醇（PEG）和碘分子的非共價相互作用，實現了聚乙二醇—聚賴氨酸（PEG-PLKC）嵌段共聚物的耗散自組裝，并研究了這種耗散自組裝獨特之處。最后，該研究組將上述共聚物修飾到碳納米管上，利用此共聚物的耗散自組裝實現了水中有機雜質的去除。

圖1. PEG-PLKC的耗散自組裝

  該研究團隊利用碘酸鈉和硫脲的混合物作為提供能量的“化學燃料”來驅動PEG-PLKC的耗散自組裝。隨著二者氧化還原反應的進行，反應體系中有大量碘分子作為中間產物而出現。而碘分子與PEG的絡合作用又可以將PEG由水溶性的高分子轉變為憎水性的高分子，使PEG-PLKC具有兩親性并自組裝形成直徑約90 nm的高分子膠束。最終，當碘酸鈉與硫脲混合物中所蘊含的化學能耗散殆盡時，反應體系中的碘分子逐漸消失而導致高分子膠束完全解體。該研究團隊發現，雖然在反應的過程中碘單質的濃度在不斷變化，但是PEG-PLKC自組裝所形成的高分子膠束結構卻幾乎不變，只是膠束的數量會有所改變。這就與PEG-PLKC與碘在熱力學平衡態下的自組裝行為有著很大不同。

圖2. 利用PEG-PLKC的耗散自組裝進行水中有機雜質的去除

  另外，該研究組還將PEG-PLKC修飾到碳納米管上。由于PLKC嵌段帶有大量正電荷，因此修飾后的碳納米管能夠均勻、穩定地分散在水中并吸附水中的有機物雜質。而加入上述“化學燃料”后，產生的碘單質可以讓碳納米管上的PEG-PLKC發生聚集，進而使碳納米管攜帶著有機雜質從水相中沉淀出來，達到去除水中有機物雜質的目的。另外值得一提的是，由于碘單質在反應結束后消耗殆盡，所以沉淀出來的碳納米管只需簡單的超聲處理就可以再次分散在水中，進行下一次的有機雜質去除。

  以上相關成果于近期發表在Biomacromolecules上（Biomacromolecules, 2018, DOI: 10.1021/acs.biomac.8b00171）。論文的第一作者是哈爾濱工業大學微納米技術研究中心青年教師王廣通博士。上述工作得到了國家自然科學基金委青年基金項目（21704023）以及科技部國家重點研發計劃（(2017YFA0207201）等的資金支持。

  文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.8b00171