9月9日，《自然通訊》(Nature Communications)雜志在線刊發了華中科技大學朱錦濤教授、清華大學楊振忠教授研究團隊題為“Moebius strips of Chiral Block Copolymers”的最新研究成果。
莫比烏斯環（Moebius strip）是一種獨特的拓撲學結構，它只有一個表面。由德國數學家、天文學家莫比烏斯（August Ferdinand Moebius）和約翰·李斯丁（Johhan Benedict Listing）于1858年首次提出。宏觀上，這個結構可以用一個紙帶旋轉半圈再把兩端粘上之后輕而易舉地制作出來。研究表明，具有特殊空間結構的莫比烏斯環不僅在數學拓撲領域具有重要地位，在分子、超分子層面中也賦予微觀體系特殊的性質。例如具有莫比烏斯構象的共軛分子具有與傳統休克兒4n+2規則互補的芳香性質。由于這種特殊的結構通常處于熱力學亞穩態，微觀尺度上構筑這種特殊的拓撲結構頗具挑戰。嵌段共聚物的溶液自組裝提供了一種自下而上制備形貌可控超分子組裝體的有效方法。組裝體形貌結構可以通過聚合物組成、初始濃度、溶劑性質、水含量等諸許多因素進行調控。但目前而言，具有莫比烏斯帶這種拓撲結構的聚合物組裝體尚未見文獻報道。
研究團隊通過手性嵌段共聚物聚苯乙烯-block-聚右旋乳酸(PS-b-PDLA)在THF/water混合溶劑中快速組裝制備了一種微米尺度的環狀組裝體。分析發現，約50%的環狀組裝體的環壁具有180°扭曲結構，且這種扭曲結構主要呈左手性扭曲。我們將這種含扭曲結構的環狀組裝體稱為嵌段共聚物莫比烏斯環。通過對環狀組裝體形成的動力學機制進行分析，發現環狀組裝體是由嵌段共聚物自組裝形成的小尺寸球形膠束融合形成復合球形膠束，復合球形膠束發生形變形成條帶狀組裝體，條帶狀組裝體閉合成環形成的。結合透射電子顯微鏡、廣角X射線衍射、圓二色譜，及傅里葉轉變紅外光譜等一系列表征手段證實，狀組裝體的形成是疏水相互作用、結晶和手性作用共同作用的結果。
研究發現，嵌段共聚物莫比烏斯環環壁上扭曲結構的產生于條帶閉合成環過程：條帶兩端發生順時針或逆時針90°旋轉以后以“面-面”貼合的形式發生有效粘合，兩端同時順時針旋轉90°則得到左手性扭曲的莫比烏斯環，而同時逆時針旋轉90°則得到右手性扭曲的莫比烏斯環。
本工作中嵌段共聚物莫比烏斯環的形成涉及到由鏈節構型到鏈段構象、由鏈段構象到聚合物相區和由相區到組裝體這三個不同層級的手性傳遞，并且在手性由相區到組裝體傳遞的過程中發生了反轉。研究表明，手性反轉的發生是由PS鏈段在形貌轉變過程中隨PDLA相區結構變化發生取向拉伸產生的內應力在紡錘體狀組裝體閉合成環過程中發生松弛釋放所致。本工作將有助于加深人們對手性從分子水平向超分子結構傳遞現象的理解和認識。
華中科技大學為第一完成單位，論文第一作者是化學與化工學院博士后耿振，華中科技大學的朱錦濤教授、張連斌教授及清華大學楊振忠教授是論文的通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金和華中科技大學學術前沿青年團隊項目等的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-11991-3.pdf
