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催組裝與自組裝對(duì)比示意圖。如果把組裝類比為在一條河上建橋，傳統(tǒng)自組裝效率低、耗時(shí)長(zhǎng)，在催組劑的幫助下，浮橋可快速建立起來(lái)。 課題組供圖

編者按

2005年美國(guó)《科學(xué)》雜志在紀(jì)念該刊創(chuàng)辦125周年之際，提出了21世紀(jì)100個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題和25個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題，其中唯一與化學(xué)直接相關(guān)的重大科學(xué)問(wèn)題是：我們能推動(dòng)化學(xué)自組裝走多遠(yuǎn)？

化學(xué)合成和組裝是科學(xué)家們創(chuàng)造各類新物質(zhì)和新材料的兩種基本手段，在過(guò)去的200多年里，化學(xué)家們主要基于形成或斷裂共價(jià)鍵的方法，合成了結(jié)構(gòu)豐富、性質(zhì)多樣的化合物；近30年來(lái)，人們還致力于利用鍵能較弱的各種非共價(jià)鍵，包括氫鍵、π—π相互作用、偶極作用、靜電作用、親疏水作用等，構(gòu)筑了具有更復(fù)雜結(jié)構(gòu)和更強(qiáng)功能的各類分子組裝體。

本世紀(jì)以來(lái)，自組裝日益受到世界各國(guó)科學(xué)家的廣泛關(guān)注和重視。2010年，國(guó)家自然科學(xué)基金委設(shè)立了重大研究計(jì)劃“可控自組裝體系及其功能化”，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，建立多層次多組分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，提高對(duì)生命過(guò)程的認(rèn)識(shí)和調(diào)控能力，并奠定我國(guó)在自組裝領(lǐng)域的國(guó)際學(xué)術(shù)地位。

該重大研究計(jì)劃歷經(jīng)8年，取得了一系列代表性研究成果。本期科學(xué)基金專版將總結(jié)該重大研究計(jì)劃取得的經(jīng)驗(yàn)，并展示取得的成果。

自組裝，指的是一些物質(zhì)和系統(tǒng)可以自發(fā)地形成有序結(jié)構(gòu)。在人們的生活中，自組裝無(wú)處不在——大到行星等天體系統(tǒng)的形成，小到DNA雙鏈分子的形成。

不過(guò)，要讓分子、納米或更大尺度的物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元按照人們的設(shè)計(jì)進(jìn)行自組裝，卻是一件十分“科幻”的事。上世紀(jì)80年代中期以來(lái)，化學(xué)家迎接了這個(gè)挑戰(zhàn)。

如今，越來(lái)越多的科學(xué)家在思考，化學(xué)自組裝能走多遠(yuǎn)，該走向何方。

自2010年起，在國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“可控自組裝體系及其功能化”的支持下，中國(guó)化學(xué)家在新的組裝推動(dòng)力和組裝基元、組裝新方法、實(shí)現(xiàn)組裝體多功能集成和精準(zhǔn)調(diào)控三個(gè)層次實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，顯著提升了我國(guó)在自組裝乃至物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力和地位。

“一體兩翼”：從跟跑起步

“分子組裝在化學(xué)領(lǐng)域就如同籃球、足球在體育項(xiàng)目中一樣，所受的關(guān)注度比較高且影響和應(yīng)用面寬?！痹撝卮笱芯坑?jì)劃指導(dǎo)專家組組長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士田中群告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，經(jīng)過(guò)近十幾年的發(fā)展，自組裝取得了重要進(jìn)展，國(guó)際上自組裝領(lǐng)域呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

自組裝從簡(jiǎn)單組裝、靜態(tài)組裝逐漸升級(jí)到多級(jí)組裝和動(dòng)態(tài)組裝，從不可控組裝發(fā)展到可控組裝，創(chuàng)制出具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)、自適應(yīng)、自修復(fù)等特點(diǎn)的新型自組裝體系。

與此同時(shí)，這些新型自組裝體的應(yīng)用得到迅速推廣，例如將其用在新型聚合物、光電功能材料、催化材料、自修復(fù)材料、仿生材料等眾多方面。

進(jìn)入新世紀(jì)后，中國(guó)科學(xué)家也從“跟跑”起步，逐漸進(jìn)入這一領(lǐng)域中。

田中群回憶，2010年前后，該重大研究計(jì)劃啟動(dòng)之初，我國(guó)在該研究領(lǐng)域與國(guó)外有較大的差距。“比如，在組裝方法上，當(dāng)時(shí)我國(guó)研究基礎(chǔ)也比較薄弱，幾乎沒(méi)有主動(dòng)開拓新方法及發(fā)展新的調(diào)控手段，更沒(méi)有中國(guó)原創(chuàng)?！?/p>

專家組成員和自然科學(xué)基金委化學(xué)部負(fù)責(zé)人一致認(rèn)為，要在化學(xué)自組裝這一國(guó)際上已有一定基礎(chǔ)的領(lǐng)域深耕，就必須有中國(guó)人的原創(chuàng)工作。

因此，在廣泛梳理了當(dāng)時(shí)國(guó)際上該領(lǐng)域的基本研究狀況后，專家組擬定了“一體兩翼”的整體思路。將組裝基元、組裝方法及組裝體功能的三個(gè)層次研究有機(jī)地串聯(lián)為一條“主線”。其中，“組裝基元”是自組裝科學(xué)的基礎(chǔ)，正如建設(shè)大樓的磚瓦；“組裝方法”則指以什么途徑把組裝基元組合在一起，“建成”房間乃至大樓；組裝后的體系能夠發(fā)揮什么作用，則是“組裝體功能”需要解決的問(wèn)題。發(fā)展組裝的表征和理論新方法則為“兩翼”，以共同揭示自組裝的本質(zhì)與規(guī)律。

“在一條主線和兩翼的頂層設(shè)計(jì)上，接下來(lái)，我們從生命科學(xué)和材料科學(xué)兩個(gè)方向?qū)ふ彝黄?，”田中群?qiáng)調(diào)，“原創(chuàng)性是關(guān)鍵?！?/p>

經(jīng)過(guò)十多年的努力，以“分子組裝新推動(dòng)力”為出發(fā)點(diǎn)，他們建立起原創(chuàng)的可控組裝新方法，實(shí)現(xiàn)了多級(jí)次的功能體系組裝。

“可以說(shuō)，我們基本實(shí)現(xiàn)了從‘跟跑’到‘并跑’的跨越式發(fā)展，而且在一些方向上處于領(lǐng)跑?！痹谠撝卮笱芯坑?jì)劃結(jié)題評(píng)估階段，田中群評(píng)價(jià)說(shuō)。

提出新概念、新理論和建立新方法

在該重大研究計(jì)劃項(xiàng)目中，完成“一體兩翼”頂層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于原創(chuàng)性。那么，什么研究才稱得上是“原創(chuàng)性工作”？

“我們對(duì)原創(chuàng)性工作有一個(gè)共識(shí)性的、經(jīng)驗(yàn)性的判斷標(biāo)準(zhǔn)，人們提到某一研究領(lǐng)域的某個(gè)方向，首先想到的不是某一篇文章或某幾篇高被引文章，而是開創(chuàng)和系統(tǒng)引領(lǐng)該方向的某個(gè)或數(shù)個(gè)研究組?！碧镏腥赫J(rèn)為，“用‘標(biāo)簽’來(lái)比喻再合適不過(guò)?！?/p>

近十年來(lái)，中國(guó)科學(xué)家在該重大研究計(jì)劃中勇于圍繞國(guó)際爭(zhēng)論的關(guān)鍵問(wèn)題和發(fā)展瓶頸問(wèn)題，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)，提出新概念、新理論，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)“從0到1”和從跟跑到領(lǐng)跑的突破，逐漸形成了一些“中國(guó)標(biāo)簽”。

例如，在新的組裝驅(qū)動(dòng)力方面，王梅祥等課題組圍繞“陰離子—π作用存在與否”這一國(guó)際爭(zhēng)論的問(wèn)題展開研究。他們自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)和發(fā)展了一批具有特色的大環(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作用的普遍性。

徐昕課題組則與王梅祥等課題組緊密合作，利用自主發(fā)展的計(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作用的更為本質(zhì)和定量的理論模型，用于解釋實(shí)驗(yàn)和理性設(shè)計(jì)。

張希、黎占亭、顏德岳等多個(gè)課題組自主發(fā)展了全新的功能組裝基元與驅(qū)動(dòng)力，例如設(shè)計(jì)與合成Se-N可逆動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵、新型多臂單體基元，提出了“超分子有機(jī)框架（SOF）”新概念，實(shí)現(xiàn)了超支化聚合物等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑等。

在新的組裝方法層面，張希、劉冬生、田中群課題組等分別發(fā)展和提出了一系列可控超分子聚合新方法，建立形貌尺寸可控的框架誘導(dǎo)組裝新方法，提出了“催組裝”的新概念，并拓展建立針對(duì)多級(jí)組裝的“催組聯(lián)”方法，這有助于組裝生命體系和精準(zhǔn)高效制備復(fù)雜功能材料。

“一個(gè)新概念和新理論提出來(lái)后，需要一個(gè)慢慢被大家接受的過(guò)程，目前，整個(gè)領(lǐng)域的同行對(duì)中國(guó)科學(xué)家在自組裝領(lǐng)域的研究水平認(rèn)可度已顯著提升?！碧镏腥焊嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

此外，實(shí)現(xiàn)可控自組裝最終的目的是實(shí)現(xiàn)組裝體的功能與集成。該重大研究計(jì)劃在組裝體的功能與集成方面也取得了顯著進(jìn)步，例如構(gòu)筑了量子點(diǎn)/產(chǎn)氫助催化劑的柔性組裝體，在溫和條件下顯著提升了可見光催化制氫的效率，并刷新產(chǎn)氫效率的世界紀(jì)錄；首次將自組裝分子機(jī)器用于哺乳動(dòng)物的高效抗腫瘤治療；原創(chuàng)性提出“超分子化療”新策略，解決藥物溶解性差、毒副作用大等問(wèn)題。

“回到《科學(xué)》提出的125個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題，要回答自組裝走多遠(yuǎn)，就必須要去設(shè)計(jì)未來(lái)怎么走，在基礎(chǔ)研究中前瞻性地提出新概念、新理論必不可少。”田中群表示，“中國(guó)科學(xué)家在自組裝領(lǐng)域不斷提出新概念、新理論，不斷解決關(guān)鍵問(wèn)題，那么，這一領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展一定會(huì)貼上更多的‘中國(guó)標(biāo)簽’?！?/p>

協(xié)同創(chuàng)新：不做“路燈下找鑰匙”的人

目前，自組裝在材料科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)有了部分實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用，包括光電器件、光催化反應(yīng)器件等。但是，科學(xué)家們注意到，在生命科學(xué)領(lǐng)域，這一領(lǐng)域發(fā)展還處在初級(jí)階段。

“在一些關(guān)鍵領(lǐng)域要想有重大突破往往比較困難，但科研就是要迎難而上，要打破科研單靠個(gè)體、單點(diǎn)突破的模式現(xiàn)狀，類似可控組裝的協(xié)同合作非常重要?！碧镏腥簭?qiáng)調(diào)。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，該重大研究計(jì)劃建立可控組裝研究與合作的新模式，通過(guò)學(xué)科間的深度交叉，打造了一支有國(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。

例如，吳驪珠課題組對(duì)光合作用的超分子模擬，便是化學(xué)與生命科學(xué)和材料科學(xué)交叉領(lǐng)域取得的成果。研究人員在超分子組裝這一思想的指導(dǎo)之下，通過(guò)分子設(shè)計(jì)合成/篩選具有特定組裝基團(tuán)或組裝作用單元的光敏單元和催化單元，利用恰當(dāng)?shù)淖饔梅绞綐?gòu)筑了新型人工光合組裝體，成功推動(dòng)了人工光合成制氫、水氧化、二氧化碳還原效率和穩(wěn)定性的大幅提升。

面向未來(lái)，我國(guó)乃至國(guó)際化學(xué)自組裝領(lǐng)域仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

“要敢于在卡住整個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)或者瓶頸方面進(jìn)行研究突破，而不是做路燈下找鑰匙的人，僅在原來(lái)擅長(zhǎng)的方向上做些延伸的工作。”田中群說(shuō)。

他表示，化學(xué)組裝要比化學(xué)反應(yīng)合成復(fù)雜得多，尚未形成系統(tǒng)完善的實(shí)驗(yàn)和理論體系，要做好10年甚至30年的長(zhǎng)久規(guī)劃，延續(xù)該重大研究計(jì)劃中取得的成果，繼續(xù)培育敢于并善于原創(chuàng)的科學(xué)力量，才有望實(shí)現(xiàn)該領(lǐng)域的重大突破和全面引領(lǐng)。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2020-02-24 第4版 自然科學(xué)基金  ■本報(bào)記者 甘曉 實(shí)習(xí)生 丁蘇雅)