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螺旋聚合物和上海中心大厦结构示意图。

资料图片

近期，中国与荷兰科学家合作完成的一项新成果发表在《自然·化学》杂志上：研究团队首次在实验室中成功合成出具有明确内外双层螺旋结构的动态高分子。这一分子结构的设计灵感源自上海中心大厦的独特建筑形态，分子高度仅几十纳米、直径仅2纳米，相当于将632米高的摩天大楼缩小至约10亿分之一，是人类头发丝的800万分之一。实验表明，该材料展现出类似天然蛋白质的动态行为，可随温度变化伸缩、在特定条件下完全解旋，并最终降解为人体可吸收的小分子，无残留风险，这为仿生智能材料的研发开辟了新路径。

从建筑奇观到功能材料

该研究由华东理工大学费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心完成。2019年，研究团队在参观上海中心大厦时受到启发。该大厦于2016年建成，是目前中国第一高楼、世界第三高楼，以多项创新技术在超高层建筑史上具有里程碑意义。研究团队特别注意到，其独特的内外双层螺旋外观不仅赋予建筑独特的空气动力学稳定性，也令人联想到生命体系中的螺旋结构，如DNA和某些蛋白质。由此，研究团队提出一个科学设想：能否在非生物体系中，通过化学合成手段构建具有类似几何特征和动态功能的人工高分子？

生物体内的螺旋高分子承担着信息存储、结构支撑或催化等关键功能，其精密构型被认为是“生命密码”的物理载体。然而，数十年来，化学家虽然能合成出螺旋结构高分子，但往往基于难降解、难回收的刚性骨架，不具备天然螺旋高分子一样的动态功能。

此次研究团队从最基础的小分子出发，尝试将氨基酸、二硫键等天然的、与生物相容的“分子积木”，通过动态可逆的化学键连接起来，构筑出稳定的螺旋构象。不过，早期设计的分子仅靠氢键等弱相互作用维持螺旋，一旦受热或环境变化，结构便迅速“坍塌”。

经过反复试验，研究团队终于找到了关键突破口：将动态共价键（特别是可逆的二硫键）与刚性氨基酸骨架巧妙结合，使螺旋结构既具备柔韧性，又能稳定存在。研究发现，该高分子像弹簧一样，在加热时可伸展，冷却后恢复螺旋；在碱性环境下，二硫键断裂，整个结构在可控范围内可解聚为原始小分子，成为人体代谢通路中的常见组分——氨基酸和二硫小分子。

这一成果在生物功能材料方面展现出应用潜力。由于具备优异的力学柔韧性、生物相容性及完全可降解性，该材料有望成为下一代可穿戴或可植入医疗器件的理想基底。例如，在柔性神经接口、靶向药物递送系统或组织工程支架中，它既能适应体内复杂力学环境，又可在完成使命后安全代谢，避免传统高分子材料长期滞留引发的炎症或毒性风险。

从纳米技术到分子工厂

化学研究的核心使命之一，是在物理规律与生命现象之间架设桥梁。从宇宙大爆炸后的无机小分子，到今天能够思考、创造的人类，大自然仅用20种氨基酸和4种碱基作为“序列密码”，就书写了一部从“小”到“大”、从无序到有序的演化史诗。

在自然万物中，“小”并不等于“简单”。以水为例：单个水分子仅由一个氧原子和两个氢原子构成，但当大量水分子在低温下通过氢键有序排列时，可形成蜂窝状六边形网络，进而凝结为冰晶。据估算，雪花可能的形态组合高达10158种——这一数字远超可观测宇宙中的原子总数（约1080个）。这种从简单基元涌现出的极致复杂性，或许正是水能成为“生命摇篮”的关键所在。

这种“小”的奥妙，启发了一代代科学家。他们通过一次次精妙的分子设计，完成了很多重要的发现和发明。1959年，物理学家理查德·费曼在《底部还有很大空间》的演讲中预言：人类能够从单个原子或分子出发进行组装，以构建具有特定功能的物质，并在一个极小的尺度操作和控制物体，将会产生应用前景极其广阔的技术——这被广泛认为是纳米技术的理论起源。

之后，随着现代显微成像技术的发展和成熟，人类逐步获得“看见”并操纵单个原子的能力。上世纪80—90年代，法国科学家索瓦日、英国科学家司徒塔特相继合成出机械互锁型分子结构，这些分子能够在纳米尺度下像机器一样发生线性穿梭运动，因此被称为“分子机器”。1999年，费林加研制出首个光驱动“分子马达”（即可以绕轴定向旋转运动的分子机器，尺寸不足2纳米），随后又开发出能在金属表面定向移动的“分子车”，该分子车由4个分子马达作为“车轮”，能够像汽车一样直行、转弯和刹车。三人因在分子机器设计与合成方面的开创性贡献，共同获得2016年诺贝尔化学奖。