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

編者按

2005年美國《科學》雜志在紀念該刊創(chuàng)辦125周年之際，提出了21世紀100個重要科學問題和25個重大科學問題，其中唯一與化學直接相關的重大科學問題是：我們能推動化學自組裝走多遠？

化學合成和組裝是科學家們創(chuàng)造各類新物質(zhì)和新材料的兩種基本手段，在過去的200多年里，化學家們主要基于形成或斷裂共價鍵的方法，合成了結(jié)構(gòu)豐富、性質(zhì)多樣的化合物；近30年來，人們還致力于利用鍵能較弱的各種非共價鍵，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)筑了具有更復雜結(jié)構(gòu)和更強功能的各類分子組裝體。

本世紀以來，自組裝日益受到世界各國科學家的廣泛關注和重視。2010年，國家自然科學基金委設立了重大研究計劃“可控自組裝體系及其功能化”，旨在以理論研究為指導、以表征技術(shù)為支撐，揭示自組裝過程的本質(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)展功能導向的自組裝新體系、新技術(shù)，實現(xiàn)功能材料的源頭創(chuàng)新，提高對生命過程的認識和調(diào)控能力，并奠定我國在自組裝領域的國際學術(shù)地位。

該重大研究計劃歷經(jīng)8年，取得了一系列代表性研究成果。本期科學基金專版將總結(jié)該重大研究計劃取得的經(jīng)驗，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，要讓分子、納米或更大尺度的物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元按照人們的設計進行自組裝，卻是一件十分“科幻”的事。上世紀80年代中期以來，化學家迎接了這個挑戰(zhàn)。

如今，越來越多的科學家在思考，化學自組裝能走多遠，該走向何方。

自2010年起，在國家自然科學基金重大研究計劃“可控自組裝體系及其功能化”的支持下，中國化學家在新的組裝推動力和組裝基元、組裝新方法、實現(xiàn)組裝體多功能集成和精準調(diào)控三個層次實現(xiàn)跨越式發(fā)展，顯著提升了我國在自組裝乃至物質(zhì)科學領域的競爭力和地位。

“一體兩翼”：從跟跑起步

“分子組裝在化學領域就如同籃球、足球在體育項目中一樣，所受的關注度比較高且影響和應用面寬?！痹撝卮笱芯坑媱澲笇＜医M組長、中國科學院院士田中群告訴《中國科學報》，經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，自組裝取得了重要進展，國際上自組裝領域呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢。

自組裝從簡單組裝、靜態(tài)組裝逐漸升級到多級組裝和動態(tài)組裝，從不可控組裝發(fā)展到可控組裝，創(chuàng)制出具有動態(tài)響應、自適應、自修復等特點的新型自組裝體系。

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

進入新世紀后，中國科學家也從“跟跑”起步，逐漸進入這一領域中。

田中群回憶，2010年前后，該重大研究計劃啟動之初，我國在該研究領域與國外有較大的差距?！氨热?，在組裝方法上，當時我國研究基礎也比較薄弱，幾乎沒有主動開拓新方法及發(fā)展新的調(diào)控手段，更沒有中國原創(chuàng)?！?/p>

專家組成員和自然科學基金委化學部負責人一致認為，要在化學自組裝這一國際上已有一定基礎的領域深耕，就必須有中國人的原創(chuàng)工作。

因此，在廣泛梳理了當時國際上該領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層次研究有機地串聯(lián)為一條“主線”。其中，“組裝基元”是自組裝科學的基礎，正如建設大樓的磚瓦；“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計上，接下來，我們從生命科學和材料科學兩個方向?qū)ふ彝黄?，”田中群強調(diào)，“原創(chuàng)性是關鍵?！?/p>

經(jīng)過十多年的努力，以“分子組裝新推動力”為出發(fā)點，他們建立起原創(chuàng)的可控組裝新方法，實現(xiàn)了多級次的功能體系組裝。

“可以說，我們基本實現(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跑。”在該重大研究計劃結(jié)題評估階段，田中群評價說。

提出新概念、新理論和建立新方法

在該重大研究計劃項目中，完成“一體兩翼”頂層設計的關鍵在于原創(chuàng)性。那么，什么研究才稱得上是“原創(chuàng)性工作”？

“我們對原創(chuàng)性工作有一個共識性的、經(jīng)驗性的判斷標準，人們提到某一研究領域的某個方向，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)引領該方向的某個或數(shù)個研究組?！碧镏腥赫J為，“用‘標簽’來比喻再合適不過?！?/p>

近十年來，中國科學家在該重大研究計劃中勇于圍繞國際爭論的關鍵問題和發(fā)展瓶頸問題，發(fā)現(xiàn)分子以上層次物質(zhì)科學中的新現(xiàn)象和新效應，提出新概念、新理論，實現(xiàn)了多項“從0到1”和從跟跑到領跑的突破，逐漸形成了一些“中國標簽”。

例如，在新的組裝驅(qū)動力方面，王梅祥等課題組圍繞“陰離子—π作用存在與否”這一國際爭論的問題展開研究。他們自主創(chuàng)新設計和發(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作用的實驗證據(jù)并證實了陰離子—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，用于解釋實驗和理性設計。

張希、黎占亭、顏德岳等多個課題組自主發(fā)展了全新的功能組裝基元與驅(qū)動力，例如設計與合成Se-N可逆動態(tài)共價鍵、新型多臂單體基元，提出了“超分子有機框架（SOF）”新概念，實現(xiàn)了超支化聚合物等復雜結(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組裝新方法，提出了“催組裝”的新概念，并拓展建立針對多級組裝的“催組聯(lián)”方法，這有助于組裝生命體系和精準高效制備復雜功能材料。

“一個新概念和新理論提出來后，需要一個慢慢被大家接受的過程，目前，整個領域的同行對中國科學家在自組裝領域的研究水平認可度已顯著提升?！碧镏腥焊嬖V《中國科學報》。

此外，實現(xiàn)可控自組裝最終的目的是實現(xiàn)組裝體的功能與集成。該重大研究計劃在組裝體的功能與集成方面也取得了顯著進步，例如構(gòu)筑了量子點/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)氫效率的世界紀錄；首次將自組裝分子機器用于哺乳動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、毒副作用大等問題。

“回到《科學》提出的125個重要科學問題，要回答自組裝走多遠，就必須要去設計未來怎么走，在基礎研究中前瞻性地提出新概念、新理論必不可少?！碧镏腥罕硎?，“中國科學家在自組裝領域不斷提出新概念、新理論，不斷解決關鍵問題，那么，這一領域的未來發(fā)展一定會貼上更多的‘中國標簽’。”

協(xié)同創(chuàng)新：不做“路燈下找鑰匙”的人

目前，自組裝在材料科學領域已經(jīng)有了部分實質(zhì)性的應用，包括光電器件、光催化反應器件等。但是，科學家們注意到，在生命科學領域，這一領域發(fā)展還處在初級階段。

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

針對這個問題，該重大研究計劃建立可控組裝研究與合作的新模式，通過學科間的深度交叉，打造了一支有國際影響的由化學、數(shù)理、生物、醫(yī)學、材料和信息等相關交叉學科人員組成的互相滲透而又協(xié)調(diào)統(tǒng)一的研究隊伍。

例如，吳驪珠課題組對光合作用的超分子模擬，便是化學與生命科學和材料科學交叉領域取得的成果。研究人員在超分子組裝這一思想的指導之下，通過分子設計合成/篩選具有特定組裝基團或組裝作用單元的光敏單元和催化單元，利用恰當?shù)淖饔梅绞綐?gòu)筑了新型人工光合組裝體，成功推動了人工光合成制氫、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，我國乃至國際化學自組裝領域仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

“要敢于在卡住整個領域發(fā)展的關鍵點或者瓶頸方面進行研究突破，而不是做路燈下找鑰匙的人，僅在原來擅長的方向上做些延伸的工作?！碧镏腥赫f。

他表示，化學組裝要比化學反應合成復雜得多，尚未形成系統(tǒng)完善的實驗和理論體系，要做好10年甚至30年的長久規(guī)劃，延續(xù)該重大研究計劃中取得的成果，繼續(xù)培育敢于并善于原創(chuàng)的科學力量，才有望實現(xiàn)該領域的重大突破和全面引領。

《中國科學報》 (2020-02-24 第4版 自然科學基金  ■本報記者 甘曉 實習生 丁蘇雅)