驭光之术:光控超分子自组装体系的研究进展

分子自组装是一种普遍存在于生命体系中的现象,众多生命过程与之息息相关。1987年,Jean-Marie Lehn,Donald Cram和Charles Pedersen三位超分子化学家获得诺贝尔化学奖,此后近30年,超分子化学发展迅速,科学家们开始更多地关注人工合成体系的分子自组装现象。现如今,超分子自组装已经成为材料科学中“自下而上”构筑有序纳米结构的有效手段,并在生物应用方面展现出巨大的潜质。超分子体系动态可逆的特点使得其自组装过程和形成的自组装结构能够感知内部或外界的刺激(如温度、酸碱度、氧化还原等),进而产生特定的响应和功能。而在众多的外界刺激和调控手段中,光有其独特的优势:首先,光不会给体系引入任何杂质。其次,人们可以方便地控制光源的开与关,并在不同的波长和强度之间调控。再次,光控具有高度的时空分辨率。最后,光可以与其他调控手段同时使用而互不干扰。此外,在探索更加复杂的非平衡体系的过程中,光不仅仅是一种简单的调控手段,正如其在自然界中的光合成和生物体中视觉形成的过程中一样,光还能够为体系提供能量和信息。

光致变色化合物是光响应化合物中的重要成员,它们能够在不同波长光的照射下,产生可逆的结构变化。将光致变色化合物引入超分子体系,可使其在光的调控下产生可逆的物理、化学性质变化。此外,得益于超分子体系中多种非共价作用力的和功能基团的协同效应,这些光致变色化合物的光致异构行为可以得到进一步放大,继而产生更为复杂或意外的现象和功能。

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值2016年国际光致变色会议(ISOP2016)筹备之际,华东理工大学结构可控先进功能材料教育部重点实验室的田禾、马骧课题组撰写了一篇介绍了近几年(2010-2016年)以光致变色化合物(如偶氮苯、螺吡喃、二芳基乙烯等)为光响应单元的超分子自组装体系,其范围涵盖了分子机器、金属有机框架和分子笼、超分子聚合物、超分子两亲分子、纳米颗粒自组装、表面修饰、超分子能量转移体系等,并对光致变色化合物在新兴的非平衡体系和可见光响应方面的进展进行了特别介绍。光致变色化合物与传统超分子体系的结合产生了诸如具有光控抓取和释放功能的分子笼,具有光控药物释放功能的囊泡、光响应超分子聚合物与凝胶、光控超分子催化体系等具有广泛应用前景的体系。

在展望部分,作者指出,虽然目前的光控超分子体系还存在很多不足,例如,一些在生物体系中的研究实例中,所采用光的波长仍旧在紫外区域,且缺乏光响应化合物在生物毒性和稳定性方面的研究。但他们相信,随着科学家们对机理的进一步探索,分子设计的进一步成熟以及新概念的提出和尝试,与实际应用相关的问题将逐步得到解决。事实上,该领域的科学家们已经着手对这些关键性的问题进行探索,例如设计研究能够通过可见光、近红外光调控的光致变色分子,以及尝试对光控超分子体系进行理论计算等。相信在不久的未来,光致变色和超分子化学领域的结合必然能够带来更多的功能独特的超分子光材料。

该综述在田禾院士、马骧教授的指导下,由姚旭阳博士以及博士生李腾、汪洁共同完成,相关工作在线发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201600281)上。