生物体采用非平衡自组装创建了丰富多样且功能复杂的有序纳米结构。本质上，组装速率的控制对组装的动态演变、动力学及其结构至关重要，是实现非平衡自组装的重要手段。基于此，科学家们近年来通过优化组装条件（比如溶剂和温度等）或不断提供能量来调控自组装的速率构建了大量人工非平衡态组装体。然而，组装条件或外界能量的轻微波动都会严重影响组装结果，可控性较差，极大程度地限制了人工非平衡态自组装体系的发展。因此，人工非平衡态组装体的可控构筑以及相应普适性方法的开发仍然是该领域目前面临的重大挑战。

针对上述挑战，近日深圳大学分子尺度实验室李霄鹏教授和於秀君助理教授团队利用聚合物链的限域效应实现了对配位驱动自组装速率的调控，成功地观察和捕获了一系列非平衡态荔枝状纳米结构的演变。相关成果以“Non-equilibrium Nanoassemblies Constructed by Confined Coordination on a Polymer Chain”为题发表在Journal of the American Chemical Society上，并被选为封面文章。吉林大学吕中元教授和朱有亮副教授对非平衡态荔枝状纳米结构的演变进行了分子动力学模拟，深圳大学王东教授和秦毅博士探究了其光热转换性质。

在众多自组装方法中，配位驱动自组装因其优异的方向性和可控性被认为是构筑人工非平衡态自组装体系具有前景的方法之一。此外，受蛋白质中侧基的组装受限于肽链主干以及刷状聚合物体系中主链会严重影响侧链的排列启发，作者将三联吡啶基三角形配位超分子的构筑模块通过RAFT可控聚合连接到了聚合物链上，得到了三种主链相同而侧基不同的窄分布聚合物（PA、PB和PC；图1）。基于形状互补策略，理论上侧基可以进一步与其互补成分进行配位驱动自组装形成热力学稳定的三角形配位超分子。然而，聚合物链的限域效应大大延缓了配位驱动自组装速率，终使作者成功地观察和捕获到了一系列处于非平衡态的荔枝状纳米结构的实时演化过程（PTA和PTB）。作为对照，聚合物链对方法C中尺寸较小的互补成分锌离子的限制较弱，导致其侧基可以快速地形成三角形配位超分子。受体积位阻和静电排斥双重影响，三角形配位超分子沿聚合物主链螺旋排列（PTC）。

图1 非平衡态荔枝状纳米结构的构筑策略

聚合物PA、PB和PC的合成及表征

首先，作者借助Suzuki偶联和酯化反应合成了三种含有甲基丙烯酰基的单体（MA、MB和MC）。聚合之前，作者利用单体和互补成分进行配位驱动自组装得到了相应的模型化合物（TA、TB和TC），验证了三角形配位超分子形状互补组装策略的可行性。采用多维核磁共振波谱和质谱（ESI-和TWIM-MS）对三角形配位超分子模型化合物进行了充分表征（图2a–c）。然后通过RAFT聚合制备得到了相应的窄分布聚合物（PA、PB和PC），并结合NMR、GPC和MALDI-TOF MS等多种手段表征了其分子量大小和多分散性指数（图2d,e）。

图2 金属聚合物PTA及其前体的表征

非平衡配位驱动自组装

进一步，将得到的聚合物与相应的互补成分进行配位驱动自组装。1H NMR图谱中原料峰的消失以及特征峰的位移证明了互补成分全部连接到了聚合物上形成了相应的金属聚合物（图2f）。但与模型化合物对比发现，由于聚合物链的限域效应，并不是所有的侧基都形成了三角形配位超分子，而是以多种配位模式并存的中间体形式存在，即体系并没有达到热力学平衡态。

在此基础上，作者利用TEM、AFM和HAADF-STEM对金属聚合物的形貌进行表征，观察到了直径约为几百纳米的荔枝状组装结构（图3a–d）。为了探究荔枝状纳米结构的形成过程，作者进一步追踪了其在时间尺度上的演变过程（图3e–g）。荔枝状纳米结构由两部分构成，分别是衬度较浅的中心核以及衬度较深的外围小球。随着时间的延长，通过配位键依附在核上的小球逐渐增多，荔枝状纳米结构也缓慢由“初生”转变到“成熟”状态，尺寸随之增大。此外，还观察到两个荔枝状纳米结构即将融合在一起的形貌，类似于生物体中的细胞吞噬。更为关键的是，对初始状态的荔枝状纳米结构进行EDS检测发现金属钌和锌只分布在外围的小球上，即配位驱动自组装后形成的金属聚合物组成了衬度较深的小球，而中心衬度较浅的核是由尚未进行配位驱动自组装的聚合物组成。需要特别说明的是，配位驱动自组装领域理想的热力学平衡态是所有的构筑模块都应充分配位组装以使整个体系的吉布斯自由能低。据此可以判断上述不断演变的荔枝状纳米结构均处于非平衡态。

图3 配位驱动自组装过程中的非平衡态荔枝状纳米结构

非平衡态荔枝状纳米结构的成形机理

根据上述结果，作者推测非平衡态荔枝状纳米结构的形成过程可以大致分为三个阶段。首先，组装过程中，随着不良溶剂的加入，多条聚合物链无规缠绕形成了中心的核。与此同时，溶液中游离的单条聚合物链与互补成分配位驱动自组装形成了外围的小球。不过，由于聚合物链的限域效应，小球中仍然含有未配位的三联吡啶位点。然后，依靠三联吡啶之间的配位相互作用，小球依附到核上形成“初生”的荔枝状纳米结构，小球之间的静电斥力使其沿中心核均匀分布。后，随着配位驱动自组装过程的进一步进行以及融合过程的存在，初始的纳米结构逐渐演变为成熟的“荔枝”。

上述非平衡态荔枝状纳米结构的形成机理首先通过大规模粗粒度分子动力学模拟进行了证明（图4a,b）。此外，又通过一系列对照实验进行了充分验证：1）用AFM测试了荔枝状纳米结构的模量（图4c,d），进一步区分了中心的核与外围的小球；2）用溶剂洗涤荔枝状纳米结构可以得到由小球连接起来的手链，并用能谱进行了表征（图4e,f）；3）研究了聚合物与互补成分的比例对纳米结构的影响，当达到1:0.6:1.2时就能观察到荔枝状纳米结构的形成（图4g）。

图4 非平衡态荔枝状纳米结构的成形机理验证

螺旋纳米结构

厘清了非平衡态荔枝状纳米结构的形成机理之后，作者进一步探索了侧基均为完整三角形配位超分子的金属聚合物（PTC）形貌。研究发现，受侧基的体积位阻和静电排斥双重影响，金属聚合物PTC呈现为螺旋纳米结构。并且随着静置时间的延长，其形貌不会发生变化。即使施加外界刺激（比如溶剂热退火），螺旋纳米结构形貌依然维持得很好。TEM、AFM和超高真空-低温扫描隧道显微镜（UHV-LT-STM）结果显示，观察到的螺旋纳米结构与模拟结构相符（图5a–e）。上述结果表明，相比于荔枝状纳米结构，螺旋纳米结构处于能量更有利的状态。在此基础上，作者对之前得到的非平衡态荔枝状纳米结构施加了同样的外界刺激（溶剂热退火），惊奇发现荔枝状纳米结构成功地转变为了能量更有利的螺旋纳米结构（图5f–h）。

图5 螺旋纳米结构

小结

在这项工作中，作者首次将聚合物链的限域效应引入到配位驱动自组装领域。基于此，提出了一种简单且具有普适性的策略用于组装速率的调控，成功地实现了非平衡态自组装体系的构筑。这项工作不仅拓宽了金属聚合物的合成方法，还激发了科学家们对现有组装体系的重新思考，将更进一步加深人们对生命体中非平衡自组装的热力学和动力学特征及其功能的认知。

封面来源：图虫创意