“可控自組裝體系及其功能化”重大研究計(jì)劃取得系列重要研究成果

高飛雪，陳擁軍，劉冬生，劉鳴華，田中群，張希

1國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)，化學(xué)科學(xué)部，北京 100085

2清華大學(xué)化學(xué)系，北京100084

3中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，北京 100190

4廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建 廈門(mén) 100190

1 立項(xiàng)背景及布局

1.1 立項(xiàng)背景

自組裝是指構(gòu)筑基元如有機(jī)小分子、高分子、生物大分子和納米顆粒等在非共價(jià)作用下自發(fā)形成有序結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象和過(guò)程1,2。自組裝的核心是通過(guò)非共價(jià)鍵將基元有序的連接起來(lái)形成具有特定結(jié)構(gòu)或者功能的組裝體，與通過(guò)非共價(jià)鍵形成的超分子體系的構(gòu)筑有異曲同工之妙。我國(guó)自上個(gè)世紀(jì)八十年代開(kāi)始了自組裝以及超分子的相關(guān)研究。吉林大學(xué)沈家驄教授和張希教授自20世紀(jì)90年代起組織召開(kāi)了包括“功能超分子體系香山科學(xué)會(huì)議”在內(nèi)的系列超分子化學(xué)的國(guó)際會(huì)議，極大地促進(jìn)了國(guó)內(nèi)超分子化學(xué)研究的普及與研究隊(duì)伍的發(fā)展。2005年美國(guó)科學(xué)(Science)雜志在在紀(jì)念該刊創(chuàng)辦125周年之際，把“我們能推動(dòng)化學(xué)自組裝走多遠(yuǎn)？”列為未來(lái)最具挑戰(zhàn)性的25個(gè)科學(xué)問(wèn)題之一3，受到世界各國(guó)科學(xué)家的廣泛關(guān)注和重視。“十一五”期間，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)組織了化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、材料、生物、醫(yī)學(xué)和信息等領(lǐng)域的科學(xué)家充分討論和醞釀從而提出了“可控自組裝體系及其功能化”重大研究計(jì)劃(以下簡(jiǎn)稱(chēng)可控自組裝)。該計(jì)劃旨在以理論研究為指導(dǎo)、以表征技術(shù)為支撐，揭示自組裝過(guò)程的本質(zhì)和規(guī)律；發(fā)展各種新穎的功能組裝基元；建立多層次多組份的可控自組裝新方法；發(fā)展功能導(dǎo)向的自組裝新體系、新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)功能材料的源頭創(chuàng)新，為材料、生物和信息技術(shù)提供物質(zhì)基礎(chǔ)與理論指導(dǎo)。項(xiàng)目利用重大研究計(jì)劃的資助機(jī)制，通過(guò)組織學(xué)科間的廣泛交叉、隊(duì)伍之間的深度合作，造就一批有國(guó)際影響的研究隊(duì)伍，培養(yǎng)優(yōu)秀人才，造就學(xué)術(shù)領(lǐng)軍人物，通過(guò)強(qiáng)化原創(chuàng)性導(dǎo)向，催生若干真正的“中國(guó)原創(chuàng)”思想，建立新的研究范式，孕育學(xué)科新生長(zhǎng)點(diǎn)和新前沿，形成一批國(guó)際引領(lǐng)性方向，奠定我國(guó)在自組裝領(lǐng)域的國(guó)際學(xué)術(shù)地位。

1.2 總體科學(xué)目標(biāo)

可控自組裝重大研究計(jì)劃的總體科學(xué)目標(biāo)包括：

從理論和實(shí)驗(yàn)源頭創(chuàng)新，建立和發(fā)展自組裝中所涉及的新方法、新概念、新結(jié)構(gòu)以及新體系，發(fā)現(xiàn)分子以上層次物質(zhì)科學(xué)中的新現(xiàn)象和新效應(yīng)，揭示自組裝的本質(zhì)與規(guī)律；

揭示自組裝體系的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，構(gòu)筑各種自組裝功能新體系，為材料、生物和信息技術(shù)提供物質(zhì)基礎(chǔ)與理論指導(dǎo)，進(jìn)一步提升我國(guó)材料、生物、信息等高新技術(shù)的原創(chuàng)能力；

建立自組裝研究與合作的新模式，通過(guò)學(xué)科間的深度交叉，造就一支有國(guó)際影響的由化學(xué)、數(shù)理、生物、醫(yī)學(xué)、材料和信息等相關(guān)交叉學(xué)科人員組成的互相滲透而又協(xié)調(diào)統(tǒng)一的研究隊(duì)伍。

催生若干真正的“中國(guó)原創(chuàng)”思想，孕育學(xué)科新生長(zhǎng)點(diǎn)和新前沿，形成一批國(guó)際引領(lǐng)性方向，培養(yǎng)優(yōu)秀人才，造就學(xué)術(shù)領(lǐng)軍人物，奠定我國(guó)在自組裝領(lǐng)域國(guó)際學(xué)術(shù)地位。

1.3 總體布局和實(shí)施思路

按照可控自組裝重大研究計(jì)劃項(xiàng)目立項(xiàng)時(shí)的規(guī)劃，項(xiàng)目專(zhuān)家組擬定了以組裝基元、組裝方法以及組裝體功能為主線(xiàn)，組裝方法與理論研究為兩翼的整體思路(圖1)。根據(jù)項(xiàng)目的科學(xué)目標(biāo)，該重大研究計(jì)劃分為以下兩個(gè)階段執(zhí)行。

1.3.1 培育階段

圍繞核心問(wèn)題，面向?qū)W術(shù)界征集項(xiàng)目，引入競(jìng)爭(zhēng)、激勵(lì)機(jī)制，以較大的強(qiáng)度資助最具有創(chuàng)新學(xué)術(shù)思想和科學(xué)價(jià)值的項(xiàng)目。在培育階段按年度發(fā)布包括“培育項(xiàng)目”(3年)和“重點(diǎn)支持項(xiàng)目”(4年)在內(nèi)的申請(qǐng)指南，共收到申請(qǐng)書(shū)共計(jì)763份，經(jīng)專(zhuān)家通訊評(píng)審和會(huì)議評(píng)審，正式資助項(xiàng)目122項(xiàng)(其中培育項(xiàng)目103項(xiàng)，重點(diǎn)支持項(xiàng)目19項(xiàng))。

1.3.2 集成階段

圖1 “可控自組裝體系及其功能化”總體項(xiàng)目布局

根據(jù)計(jì)劃的總體目標(biāo)，指導(dǎo)專(zhuān)家組評(píng)估了培育階段的項(xiàng)目，在前期研究成果的基礎(chǔ)上，明確目標(biāo)，重點(diǎn)集成，加強(qiáng)資助。對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行歸納形成四個(gè)集成方向：(1)新型相互作用及協(xié)同規(guī)律；(2)新概念的組裝方法學(xué)；(3)多級(jí)次組裝與功能；(4)自組裝的增強(qiáng)效應(yīng)。2014年對(duì)以上4個(gè)集成方向發(fā)布指南，經(jīng)過(guò)申請(qǐng)、函評(píng)與會(huì)評(píng)，從10份申請(qǐng)中遴選了4個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)行資助；2015年繼續(xù)根據(jù)2014年指南布局的重點(diǎn)方向進(jìn)行補(bǔ)充集成，形成三個(gè)重要集成方向：(1)新型組裝基元及弱鍵協(xié)同作用；(2)表面多級(jí)次組裝及功能化；(3)生物組分的多層級(jí)自組裝及功能化。發(fā)布指南后，特邀國(guó)內(nèi)新成長(zhǎng)起來(lái)的一些優(yōu)秀青年科學(xué)家參與申請(qǐng)，最終形成6個(gè)集成課題。通過(guò)組建具有化學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、材料、生物等多學(xué)科背景的研究團(tuán)隊(duì)，從理論和實(shí)驗(yàn)源頭創(chuàng)新，建立和發(fā)展化學(xué)組裝中所涉及的新概念、新研究范式和新理論模型，實(shí)現(xiàn)在若干方向的跨越式發(fā)展。

1.4 學(xué)科交叉情況

本重大研究計(jì)劃充分體現(xiàn)了化學(xué)與物理、數(shù)學(xué)、材料、生物、醫(yī)學(xué)和信息等多學(xué)科的相互交叉。在實(shí)現(xiàn)可控自組裝體系及其功能化的研究過(guò)程中，各學(xué)科相互滲透，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。一方面為解決自組裝化學(xué)核心問(wèn)題提供了基礎(chǔ)，另一方面促進(jìn)了各學(xué)科相關(guān)前沿的研究，同時(shí)引起了專(zhuān)家們廣泛的參與興趣。

1.4.1 化學(xué)與物理、數(shù)學(xué)的交叉融合

自組裝過(guò)程涉及非常寬廣的時(shí)間和空間尺度，對(duì)自組裝的理解涉及復(fù)雜熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。通過(guò)化學(xué)與物理、數(shù)學(xué)的交叉融合，初步實(shí)現(xiàn)了在不同時(shí)間和空間尺度上發(fā)展方法并開(kāi)展對(duì)具體體系的理論與計(jì)算研究，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)組裝過(guò)程及規(guī)律的認(rèn)識(shí)和調(diào)控。

1.4.2 化學(xué)與生命科學(xué)的交叉融合

通過(guò)對(duì)基于DNA或蛋白質(zhì)等生物大分子基元的自組裝研究，加深了對(duì)很多重要生命過(guò)程或生命現(xiàn)象的理解，進(jìn)一步理性設(shè)計(jì)合成生物大分子基元，構(gòu)筑仿生功能性組裝體。如模擬光合作用，利用高光合效率驅(qū)動(dòng)化學(xué)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)高效仿生催化二氧化碳還原。

1.4.3 化學(xué)與材料科學(xué)的交叉融合

通過(guò)自組裝成功實(shí)現(xiàn)一系列具有智能響應(yīng)性材料及高性能結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)筑。例如，通過(guò)多級(jí)次自組裝，小分子組裝基元可以通過(guò)紡絲獲得較高力學(xué)強(qiáng)度的纖維材料；通過(guò)調(diào)控亞納米尺寸的無(wú)機(jī)納米晶體的自組裝，獲得了高性能的無(wú)機(jī)柔性光學(xué)薄膜。

2 總體完成情況

本重大研究計(jì)劃于2010年7月首次正式發(fā)布指南、接受申請(qǐng)以來(lái)，該重大研究計(jì)劃正式發(fā)布和受理培育及重點(diǎn)項(xiàng)目申請(qǐng)指南四次(2010-2013各年度)，發(fā)布和受理集成項(xiàng)目申請(qǐng)指南兩次(2014-2015各年度)。該重大研究計(jì)劃共收到各類(lèi)項(xiàng)目申請(qǐng)795項(xiàng)(其中培育項(xiàng)目675份，重點(diǎn)支持項(xiàng)目88份，集成項(xiàng)目27項(xiàng)，戰(zhàn)略研究項(xiàng)目5項(xiàng))，經(jīng)專(zhuān)家通訊評(píng)審和會(huì)議評(píng)審，正式資助項(xiàng)目137項(xiàng)(其中培育項(xiàng)目103項(xiàng)，重點(diǎn)支持項(xiàng)目19項(xiàng)，集成項(xiàng)目10項(xiàng)，戰(zhàn)略研究項(xiàng)目5項(xiàng))。申請(qǐng)項(xiàng)目涉及國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)數(shù)理、化學(xué)、生命、工材、信息和醫(yī)學(xué)六個(gè)學(xué)部，并主要?dú)w屬化學(xué)科學(xué)部。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人依托單位分布在全國(guó)19個(gè)省、市、自治區(qū)，共計(jì)承擔(dān)項(xiàng)目137項(xiàng)。資助總經(jīng)費(fèi)20000萬(wàn)元，全部資助項(xiàng)目于2018年底順利結(jié)題。

截止到2019年9月，在本重大研究計(jì)劃資助下，共發(fā)表論文4776篇，專(zhuān)著9部，批準(zhǔn)專(zhuān)利149個(gè)，其中在重要的化學(xué)、物理和材料、工程等JCR一區(qū)國(guó)際專(zhuān)業(yè)學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表研究論文2300余篇，重要成果論文見(jiàn)表1。

為了對(duì)比評(píng)價(jià)重大研究計(jì)劃的實(shí)施對(duì)我國(guó)自組裝領(lǐng)域發(fā)展態(tài)的影響，利用“Web of Knowledge”數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)自組裝領(lǐng)域的論文發(fā)表進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。當(dāng)以“Self-assembl*”為關(guān)鍵詞檢索時(shí)，統(tǒng)計(jì)顯示(圖2)，從2005年到2018年，我國(guó)的論文數(shù)量從占全世界論文數(shù)量的15.7%迅速提高到35.8%，達(dá)到三分之一。而同期世界主要科技強(qiáng)國(guó)，比如美國(guó)，日本和德國(guó)，占世界論文的數(shù)量比呈下降趨勢(shì)。除了數(shù)量上的發(fā)展，在質(zhì)量上也取得突破，我們統(tǒng)計(jì)了國(guó)際最具影響的兩個(gè)綜合化學(xué)期刊，“美國(guó)化學(xué)會(huì)志”和“德國(guó)應(yīng)用化學(xué)”上自組裝領(lǐng)域相關(guān)論文的發(fā)表情況。數(shù)據(jù)表明，從2005年到2018年，這兩個(gè)期刊上與自組裝相關(guān)的論文總數(shù)并沒(méi)有太大變化，僅從345篇增長(zhǎng)到369篇，但是各主要科技大國(guó)的占比卻發(fā)生明顯改變。例如，中國(guó)發(fā)表論文數(shù)從2005年的25篇大幅增長(zhǎng)到2018年的133篇，占比排名第一，而同期美國(guó)從134篇減少到123篇，日本則從45篇大幅減少到24篇。這些數(shù)據(jù)充分表明可控自組裝及其功能化重大研究計(jì)劃的實(shí)施極大地推動(dòng)了我國(guó)自組裝研究朝著“量”和“質(zhì)”兩個(gè)方面的同步發(fā)展。

表1 重大研究計(jì)劃資助下發(fā)表論文統(tǒng)計(jì)

圖2 Web of Science檢索“Self-assembl*”關(guān)鍵詞的文章數(shù)量發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)十年多的努力，本重大研究計(jì)劃圓滿(mǎn)地完成了既定任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了總體科學(xué)目標(biāo)，使我國(guó)自組裝研究在多個(gè)方面系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)了從跟隨到原創(chuàng)的跨越式發(fā)展，基本實(shí)現(xiàn)與國(guó)際同步，部分方向處于國(guó)際領(lǐng)先水平，全面推動(dòng)了我國(guó)化學(xué)自組裝研究走向國(guó)際舞臺(tái)中心。本計(jì)劃在擬解決的三個(gè)核心科學(xué)問(wèn)題方面取得了以下重大進(jìn)展。

2.1 發(fā)展了多種具有“中國(guó)標(biāo)簽”的新組裝推動(dòng)力和組裝基元

組裝基元是自組裝的基礎(chǔ)，發(fā)展和設(shè)計(jì)新型基元將為可控自組裝向更高層次發(fā)展提供新的契機(jī)和驅(qū)動(dòng)力。項(xiàng)目專(zhuān)家組注重新組裝基元的發(fā)展，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，產(chǎn)生了一批具有“中國(guó)”元素的組裝基元。例如：

(1) 王梅祥、王德先等課題組，圍繞“陰離子-π作用存在與否”這一國(guó)際爭(zhēng)論的問(wèn)題展開(kāi)研究，取得了一系列創(chuàng)新性的成果。他們?cè)O(shè)計(jì)和發(fā)展了一批具有自主創(chuàng)新和特色的大環(huán)分子基元，首次獲得了中性缺電子芳香環(huán)與陰離子形成陰離子-π作用的實(shí)驗(yàn)證據(jù)并證實(shí)了陰離子-π作用的普遍4。同時(shí)，通過(guò)基元設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了陰離子-π非共價(jià)相互作用控制的組裝與解組裝過(guò)程，發(fā)展了基于陰離子-π作用的長(zhǎng)程組裝超分子體系，為將“陰離子-π作用”發(fā)展成為超分子化學(xué)中重要的新型非共價(jià)作用力做出了貢獻(xiàn)。他們還與復(fù)旦大學(xué)徐昕課題組合作，利用自主發(fā)展的新型第五階密度泛函XYG3系列和新型組合模型XO等高精度、高效率的計(jì)算方法，系統(tǒng)研究了陰離子-π作用及其影響因素；提出了“軌道靜電作用”新理論，發(fā)展出描述陰離子-π作用的更為準(zhǔn)確和定量的理論模型5。

值得強(qiáng)調(diào)的是，由徐昕課題組設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的新一代的雙雜化密度泛函方法XYG3，首次探討了引入二階微擾形式的相關(guān)能泛函的理論可行性及其在密度泛函理論框架下的物理圖像。提出新密度泛函極大地修正了目前國(guó)際通用泛函在弱(非)鍵相互作用描述上的缺陷，是目前國(guó)際上最準(zhǔn)確和最普適的泛函之一。特別地，通過(guò)將自旋反平行的局域二階微擾技術(shù)(local opposite spin ansatz)引入到雙雜化泛函，在保證精度的前提下，成功開(kāi)發(fā)出目前國(guó)際上運(yùn)行速度最快的雙雜化泛函XYGJOS。該系列工作為自組裝所涉及的電子結(jié)構(gòu)問(wèn)題，提供了強(qiáng)有力的理論計(jì)算方法6-8。

(2) 構(gòu)建水溶性有序自組裝孔結(jié)構(gòu)是分子組裝研究領(lǐng)域的重要問(wèn)題，如何在水中產(chǎn)生強(qiáng)的定向分子間結(jié)合的同時(shí)，賦予具有固有疏水性的有機(jī)分子足夠的水溶性是其中面臨的巨大挑戰(zhàn)。黎占亭課題組設(shè)計(jì)了新型的多臂單體基元，利用剛性的CB[8]大環(huán)對(duì)剛性芳環(huán)二聚體的包結(jié)，以主客體作用為驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)水相結(jié)合的方向性，構(gòu)筑了二維單層、三維金剛石型以及立方型等超分子有機(jī)框架(SOF)結(jié)構(gòu)9,10。他們系統(tǒng)性地研究了SOF體系對(duì)客體的富集效應(yīng)，將SOF結(jié)構(gòu)應(yīng)用于負(fù)載抗腫瘤藥物，為后續(xù)進(jìn)一步開(kāi)展藥物輸送技術(shù)研究確立了新的自組裝策略。形成了具有“中國(guó)標(biāo)簽”的功能性組裝體結(jié)構(gòu)：超分子有機(jī)框架結(jié)構(gòu)。

2.2 建立了調(diào)控組裝的新概念、新方法

組裝方法是分子組裝科學(xué)研究的核心之一。重大研究計(jì)劃提出并發(fā)展了多個(gè)新型組裝策略，產(chǎn)生了重要影響。例如：

(1) 張希課題組提出了超兩親分子的新概念，構(gòu)建了一系列新型的組裝基元，為可控組裝開(kāi)拓了新途徑。同時(shí)，針對(duì)超分子聚合物面臨的自發(fā)組裝過(guò)程不易調(diào)控、兩種單體需具有相似的溶解性及嚴(yán)格相等的摩爾比等挑戰(zhàn)，他們又將超分子化學(xué)與界面聚合相結(jié)合，通過(guò)超分子單體在界面上的聚合，使超分子聚合物的制備從均相溶液轉(zhuǎn)移至液-液界面，建立了超分子界面聚合新方法11,12。超分子界面聚合方法的建立進(jìn)一步豐富了超分子聚合的方法學(xué)，為可控制備超分子聚合物材料提供了新的契機(jī)。

(2) 受細(xì)胞結(jié)構(gòu)啟發(fā)，劉冬生課題組提出了“框架誘導(dǎo)自組裝”這一普適性自組裝新策略，實(shí)現(xiàn)了不同形狀、尺寸單分散的組裝體的高效制備13。他們高效制備了多種DNA-疏水樹(shù)狀高分子嵌段共聚物，將其通過(guò)DNA的精確互補(bǔ)配對(duì)定位到利用DNA納米技術(shù)編織的納米級(jí)框架上，再進(jìn)一步誘導(dǎo)其他兩親分子按照疏水樹(shù)狀高分子勾勒出的空間輪廓進(jìn)行組裝，從而獲得形狀、尺寸可設(shè)計(jì)的囊泡結(jié)構(gòu)?？蚣苷T導(dǎo)組裝研究不僅拓展了分子自組裝的手段，為研究納米組裝結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀效應(yīng)提供方法學(xué)基礎(chǔ)，同時(shí)還為了解自然界細(xì)胞形狀的形成與調(diào)控機(jī)制提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

(3) 田中群課題組在國(guó)際上首次系統(tǒng)地提出用于調(diào)控和加速分子組裝過(guò)程的“催組裝”新概念，界定了其科學(xué)內(nèi)涵并探索其研究新范式14,15。他們組織了包括實(shí)驗(yàn)、理論和表征三方面的多單位跨學(xué)科隊(duì)伍，對(duì)催組裝新概念和研究新范式進(jìn)行了系統(tǒng)的探索。在實(shí)驗(yàn)研究方面，利用有機(jī)合成、高分辨核磁、DFT計(jì)算等手段對(duì)一些已知體系進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究，獲得其關(guān)鍵的組裝動(dòng)力學(xué)參數(shù)，詳細(xì)描述其催組裝機(jī)理，初步破解了一些多組分體系組裝過(guò)程的“黑箱”；在理論方面，與徐昕課題組合作，利用新的密度泛函方法極大地提高了弱鍵相互作用的計(jì)算精度，進(jìn)一步發(fā)展了密度泛函方法和分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)合的方法，為破解組裝過(guò)程的“黑箱”提供了理論支持；在表征方法方面，針對(duì)組裝過(guò)程的多位點(diǎn)弱鍵相互作用的協(xié)同特點(diǎn)和難點(diǎn)，發(fā)展了微流控核磁等實(shí)時(shí)原位高分辨的表征方法，初步建立了催組裝研究的新范式。

(4) 在基元設(shè)計(jì)與方法調(diào)控的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了從手性小分子、超分子一直到納米材料等多級(jí)次的可控自組裝過(guò)程。劉鳴華課題組合成了以組氨酸為頭基的Bola型分子，通過(guò)控制其頭基的電性狀態(tài)，成功制備了長(zhǎng)度達(dá)到數(shù)百微米甚至毫米級(jí)的自組裝納米管結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步通過(guò)類(lèi)似于繅絲的方法，將溶液中分散的自組裝納米管仿成絲。該自組裝納米管絲具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度可以媲美常見(jiàn)的商品化高分子材料，如聚苯乙烯、ABS合成樹(shù)脂等16。

(5) 王訓(xùn)課題組首次提出了亞納米尺度材料的概念，成功合成了直徑在亞納米尺度(sub-1 nm)、長(zhǎng)度在微米量級(jí)的GdOOH納米線(xiàn)17。基于該無(wú)機(jī)納米線(xiàn)與直線(xiàn)型高分子相似的維度特征，他們利用高分子材料加工中廣為使用的電紡絲技術(shù)組裝加工了GdOOH納米線(xiàn)，成功調(diào)控了其組裝過(guò)程，在不添加任何高分子輔助劑的條件下，電紡出了表面光滑、直徑均勻可控的纖維材料，為無(wú)機(jī)納米組裝材料的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)新的契機(jī)。

2.3 實(shí)現(xiàn)組裝體多功能集成和精準(zhǔn)調(diào)控

實(shí)現(xiàn)特異性的功能是自組裝研究的重要驅(qū)動(dòng)力，也是自組裝項(xiàng)目的目標(biāo)之一。對(duì)于不同的實(shí)際生產(chǎn)需求，如催化、能源以及光電等，多級(jí)次的自組裝體系因其靈活的可設(shè)計(jì)性與可控性，在眾多領(lǐng)域都獲得了普遍的關(guān)注并實(shí)現(xiàn)了重大的突破。

(1) 受自然界光合作用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的啟發(fā)，吳驪珠課題組通過(guò)組裝基元和組裝方式的設(shè)計(jì)，模擬光合作用中心高度有序的結(jié)構(gòu)和精確介導(dǎo)的作用機(jī)制，率先利用可控分子組裝增強(qiáng)電子、質(zhì)子和能量遷移，在國(guó)際上率先突破了鐵氫化酶模擬配合物穩(wěn)定性差、催化效率低的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)鐵氫化酶模擬物的水相高效產(chǎn)氫；通過(guò)模擬光合作用系統(tǒng)PSI氫化酶的工作環(huán)境，形成結(jié)構(gòu)和功能集成的完美系統(tǒng)，再現(xiàn)了自然界氫化酶的高效產(chǎn)氫；通過(guò)可控組裝實(shí)現(xiàn)了高效、快速、持續(xù)的電子注入，原位制備了多個(gè)高效、穩(wěn)定、廉價(jià)的人工光合產(chǎn)氫體系，將國(guó)際上最高產(chǎn)氫催化轉(zhuǎn)換數(shù)TON提升到1600萬(wàn)18，創(chuàng)造了產(chǎn)氫催化轉(zhuǎn)換數(shù)的世界紀(jì)錄，大幅提升人工光合作用的性能。

(2) 唐智勇課題組及其合作者提出用MOFs作為選擇性加氫反應(yīng)的調(diào)控器，巧妙地設(shè)計(jì)和精準(zhǔn)構(gòu)筑了自組裝三明治結(jié)構(gòu)MIL-101@Pt@MIL-101催化劑。相對(duì)于單一鉑納米粒子和負(fù)載型催化劑，三明治結(jié)構(gòu)催化劑可以顯著提高肉桂醇的選擇性(～95.6%)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)底物肉桂醛的高轉(zhuǎn)化率(～99.8%)，而且也展現(xiàn)了很好的催化穩(wěn)定性19。

(3) 王江云課題組結(jié)合密碼子擴(kuò)展方法編碼組裝得到的光敏蛋白質(zhì)，能夠成功模擬天然光合作用系統(tǒng)吸收光能，催化二氧化碳還原的功能。通過(guò)在熒光蛋白中插入含二苯甲酮基團(tuán)的非天然氨基酸，對(duì)熒光蛋白的發(fā)色團(tuán)進(jìn)行改性，優(yōu)化熒光蛋白光化學(xué)性質(zhì)，并延長(zhǎng)其受激發(fā)后所生成的還原性中間態(tài)的壽命，降低了其還原電勢(shì)。在獲得該光敏蛋白后，他們進(jìn)一步應(yīng)用自組裝方法在PSP蛋白表面特定位點(diǎn)裝配了一種小分子CO2電化學(xué)還原催化劑三聯(lián)吡啶鎳配合物。這種雜合蛋白質(zhì)具有在光照條件下還原二氧化碳生成一氧化碳的活性，光量子產(chǎn)率為2.6%，高于大部分已報(bào)道的CO2仿生光還原催化劑，為應(yīng)用自組裝方法構(gòu)建光驅(qū)動(dòng)二氧化碳還原催化體系提供了新思路20。

(4) 丁寶全課題組及其合作者在藥物遞送方面，首次將自組裝的分子機(jī)器用于哺乳動(dòng)物的活體治療，根據(jù)腫瘤新生血管的病理生理特性，設(shè)計(jì)了可控開(kāi)啟的自組裝DNA分子機(jī)器作為運(yùn)載系統(tǒng)。該系統(tǒng)可組裝運(yùn)載凝血酶，能在腫瘤血管-血液界面發(fā)生特異性相互作用，其共組裝的核酸適配體序列識(shí)別腫瘤內(nèi)皮表面特異性抗原核仁素后，造成結(jié)構(gòu)的響應(yīng)性形變開(kāi)啟，暴露凝血酶從而實(shí)現(xiàn)腫瘤血管部位的原位凝血效果。活體實(shí)驗(yàn)表明，裝載凝血酶的分子機(jī)器在黑色素瘤、乳腺癌、卵巢癌及原發(fā)性肺癌的小鼠體系都實(shí)現(xiàn)了良好的抗腫瘤效果，并且在治療使用劑量下沒(méi)有引起免疫反應(yīng)或造成健康臟器的血栓，是一種安全有效的抗腫瘤體系21。

(5) 顏德岳課題組提出了構(gòu)建兩親性“藥-藥綴合物”納米自輸送系統(tǒng)的新思想22。利用生物可降解的酯鍵將親水性抗腫瘤藥物伊立替康(Ir)和疏水性抗腫瘤藥物苯丁酸氮芥(Cb)偶聯(lián)形成兩親性藥-藥綴合物(Ir-Cb ADDC)，Ir-Cb ADDC在水中能自組裝形成納米粒子。與游離的小分子抗腫瘤藥物(Ir或Cb)相比，Ir-Cb ADDC納米粒子具有較長(zhǎng)的血液循環(huán)時(shí)間，更容易被細(xì)胞攝入，可通過(guò)EPR效應(yīng)實(shí)現(xiàn)在腫瘤病灶部位富集。

(6) 張希課題組和王樹(shù)課題組合作，提出了一種“超分子化療”的新策略，通過(guò)控制細(xì)胞毒性隱藏與重現(xiàn)，改善了模型抗癌分子的藥效，以解決常見(jiàn)藥物溶解性差、毒副作用大等問(wèn)題23,24。王樹(shù)課題組及其合作者針對(duì)腫瘤自身特殊的結(jié)構(gòu)特征提出了腫瘤微環(huán)境響應(yīng)的藥物分子細(xì)胞內(nèi)原位組裝的超分子化療新思路。他們?cè)O(shè)計(jì)、合成了一種新型共價(jià)連接π共軛寡聚分子與巰基的紫杉醇體系，通過(guò)細(xì)胞內(nèi)選擇性的原位自組裝技術(shù)提高了紫杉醇療效，降低毒性并克服了耐藥性，獲得了較好的抗癌效果。

本重大研究計(jì)劃通過(guò)頂層設(shè)計(jì)和凝練目標(biāo)，匯聚了我國(guó)超分子組裝研究隊(duì)伍，通過(guò)項(xiàng)目倒逼不同背景專(zhuān)家協(xié)同創(chuàng)新，并通過(guò)提倡建設(shè)性批評(píng)的年度匯報(bào)活動(dòng)促進(jìn)學(xué)術(shù)交流與爭(zhēng)鳴，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)與數(shù)理、生命等學(xué)科交叉融合，形成一批跨學(xué)科跨地域的創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)，極大地推動(dòng)了我國(guó)分子組裝領(lǐng)域?qū)ｉT(mén)人才的培養(yǎng)。重大研究計(jì)劃執(zhí)行期間，5名項(xiàng)目承擔(dān)者當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院化學(xué)部院士，其他項(xiàng)目承擔(dān)人獲得長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)教授12人次，杰出青年基金獲得者26人次，優(yōu)秀青年基金獲得者34人次，青年拔尖人才14人次，萬(wàn)人計(jì)劃學(xué)者12人次。特別值得一提的是，自本重大研究計(jì)劃執(zhí)行以來(lái)，已有7支研究團(tuán)隊(duì)獲得了教育部創(chuàng)新研究群體，成為我國(guó)分子組裝研究隊(duì)伍中極富創(chuàng)造力的學(xué)術(shù)群體。

3 結(jié)語(yǔ)

本重大研究計(jì)劃充分發(fā)揮化學(xué)、數(shù)理、材料、生命等多學(xué)科交叉合作的優(yōu)勢(shì)，從理論和實(shí)驗(yàn)源頭創(chuàng)新，圍繞“可控自組裝體系及其功能化”中“可控”這一關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行合理的項(xiàng)目布局并展開(kāi)深入研究。系統(tǒng)性開(kāi)拓認(rèn)識(shí)多種新型弱相互作用力，發(fā)展多種具有“中國(guó)標(biāo)簽”的新組裝基元，建立類(lèi)似于有機(jī)“人名反應(yīng)”的組裝新方法，以理論研究和表征技術(shù)為支撐，深入揭示自組裝過(guò)程的本質(zhì)和規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了多組分、多層次組裝體的功能。這些研究工作較好契合了國(guó)際上分子組裝和功能材料領(lǐng)域發(fā)展的新方向和趨勢(shì)，全面展現(xiàn)了多級(jí)組裝的優(yōu)勢(shì)，詮釋了可控組裝理念在催化、光電和生物功能材料研究中的重要貢獻(xiàn)，促進(jìn)了化學(xué)、數(shù)理、生物、材料基礎(chǔ)研究與分子組裝的緊密銜接，構(gòu)建了一批有重要科學(xué)意義和潛在實(shí)用價(jià)值的分子組裝體系，系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)從跟隨到原創(chuàng)的跨越式發(fā)展，基本實(shí)現(xiàn)與國(guó)際同步，部分方向上處于國(guó)際領(lǐng)先水平，全面推動(dòng)了我國(guó)化學(xué)自組裝研究走向國(guó)際舞臺(tái)的中心。