第一作者：張琦、饒斯佳
通訊作者：田禾、曲大輝
通訊單位：華東理工大學
研究亮點：
1. 構建了納米尺度的人工分子肌肉致動器。
2. 實現了在分子尺度下對微小物體的可逆機械致動。
3. 實現了單顆粒尺度下分子肌肉運動的光學信號輸出。
人工分子機器是指化學家通過人工合成的方法制造出的分子級別的機器。J. P. Sauvage, J. F. Stoddart和B. L. Feringa三位教授由于在這個領域的開創性研究獲得了2016年諾貝爾化學獎。作為國內最早獨立開展分子機器領域研究的團隊，華東理工大學田禾院士和曲大輝教授研究團隊多年來圍繞“功能有機分子機器”開展了一系列開創性工作。
動物體內的肌肉組織能夠通過消耗化學能量來產生舒張/收縮運動，將化學能轉換為機械功。受到這種生物分子機器的啟發，化學家試圖通過化學合成的方法構建同樣具有刺激響應舒張/收縮功能的人工分子肌肉。
盡管目前已經有一些分子肌肉聚合物能夠在宏觀尺度下實現其肌肉一樣的致動功能，然而實現這種分子尺度的單個/寡數分子肌肉對納米尺度下的微小物體進行可逆致動的設想仍然存在很多研究挑戰：比如，如何克服單個分子肌肉本征的熱力學噪音，如何實現分子肌肉與納米物件的高效連接，如何表征這種分子尺度下分子肌肉的可逆致動。
有鑒于此，華東理工大學田禾院士、曲大輝教授團隊構建了納米尺度的人工分子肌肉致動器，實現了在分子尺度下對微小物體的可逆機械致動。
圖1 分子肌肉的結構式和伸縮機理
該團隊在前期對表面超分子化學（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 15789; Adv. Mater. 2017, 29, 1604948）和機械互鎖分子的高效精準合成（Chem. Sci. 2016, 7, 1696; Chem. Sci. 2017, 8, 6777）的研究基礎上，設計合成出一種具有酸堿可逆驅動的線性分子肌肉（圖1）。
分子肌肉的伸縮運動控制中心來源于基于冠醚大環的[c2]雛菊鏈在兩個識別位點之間的可控運動，分子兩端的六個硫醇基團則可以通過與金納米粒子形成穩定的Au-S鍵實現分子肌肉與兩個金納米粒子的高效連接，從而使得分子肌肉單元能夠伸縮驅動與其相連接的金納米粒子二聚體“靠近-遠離”的線性機械運動。
為了克服溶液相容易形成納米粒子多聚體的缺點，研究人員采取了表面相逐步修飾的策略，實現了分子肌肉致動器在兩個金納米粒子之間的高效固載化（圖2）。
圖2 分子肌肉致動器固載化示意圖(A, B)以及分子肌肉伸縮致動前后納米粒子二聚體的單顆粒光學信號變化監測(C, D)
同時借助華東理工大學龍億濤教授發展的單顆粒光電分析平臺（Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 632），研究人員成功實現了單顆粒尺度下分子肌肉可逆運動行為的光學信號輸出（圖2）。同時首創性地利用光學信號在時間維度可積分的策略克服了分子肌肉的單分子熱力學噪音，實現了分子肌肉在分子水平上可逆致動的功能化，為分子機器在單分子尺度下的信號輸出和功能器件化提供了重要的解決思路。
總之，該研究搭建了納米尺度的人工分子肌肉致動器，在實現分子尺度下可逆機械致動的同時也獲得了光學信號輸出。
參考文獻：
Zhang Q, Rao S, Xie T, et al. Muscle-like Artificial Molecular Actuators for Nanoparticles[J]. Chem, 2018.
DOI: 10.1016/j.chempr.2018.08.030
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2018.08.030
