好文分享|| 巨型分子：化学、物理学和生物科学的交汇

传统意义上的合成高分子是通过重复单元之间的化学键连接而成的链式结构，具有不均一的分子量以及因此产生的分子量分布。它的性质调控主要依赖于分子量及其分布和链拓扑结构的变化。

不同于合成高分子，天然高分子具有可控的“分子不均一性”，比如蛋白质能通过精确折叠，形成多级三维结构来实现特定的功能。这种结构的精确可控性是大分子实现其功能的重要物质基础，也间接回答了二十世纪六十年代美国物理学家费曼的著名问题：“假如原子能够按照我们设想的方式来排列，那么材料将会有怎么样的性质？”，启示高分子科学家们要走出传统高分子的范畴，将可控的分子不均一性及其相关的精确结构引入合成高分子，拓展合成高分子的基元结构，实现其更为精密的功能化。

在过去近十五年的时间里, 科学家们对新的大分子体系进行了深入的思考和大胆的探索, 致力于在大分子中实现快速精准合成以及利用超分子工程实现其结构调控，提出了一类新型的软物质大分子：基于“纳米原子”(nano-atoms)的“巨型分子”(giant molecules)。现如今，巨型分子家族的新成员仍不断被设计和合成，新奇的非传统多级结构屡被发现，并且其基本形成原理也正逐步被阐释和完善。可以说，巨型分子俨然发展成为了一个较为丰富和系统的研究方向。

近期，北京大学化学与分子工程学院张文彬教授、美国阿克隆大学程正迪教授接受《中国科学：化学》编辑部邀请，为英文刊Science China Chemistry撰写了专题论述文章“Giant molecules: where chemistry, physics, and bio-science meet”，发表在2017年第3期（点击左下角阅读原文可免费阅读和下载全文）。文章经审稿人推荐，被评选为期刊的“Hot Paper”。

文章中，作者阐明了巨型分子的设计灵感来自于天然聚合物，如蛋白质，可通过顺序“点击”化学的方法从分子纳米粒子等构筑单元出发模块化地构建。其最重要的分子参数如拓扑结构、组成和分子量可以被精确地调控。

文章系统地回顾了巨型分子的发展途径和现状，总结当前的知识和经验，并将其与合成高分子和蛋白质一起对比，总结了巨型分子与两者相同与不同的地方及其丰富的组装行为和特征。在每个巨型分子范畴中，作者都给出了典型示例，以说明它们在不同时间、空间和能量尺度上的多级组装特性，再次强调了“人工结构域”的思想。该思想旨在开发一个理性化和模块化的科学方法，以发展和制备新型功能材料。这本质上是一种“材料基因组方法”。该方法集成了化学和物理的基本原理和手段，用于设计和控制多级结构的形成，以使所得材料满足丰富的特定功能的需求。

通讯作者简介 

张文彬教授  北京大学特聘研究员。一直致力于通过控制材料精确的化学结构和物理结构来发展具有优异性能的材料。对大分子合成和自组装结构的表征做了深入的研究和探索，发展了利用分子纳米粒子构建精确结构大分子的思路，开展了比较系统深入的工作。至今为止，已有70余篇文章在Science, Proc. Natl. Acad. Sci., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Macromolecules等国际著名学术期刊上发表。2014年3月，入选青年千人计划。2015年1月，得到科技部863青年科学家专题支持。

程正迪教授  现任Akron大学Frank C. Sullivan 杰出科研教授，Robert C. Musson 教授和 Trustees 教授。2007年至2014年任美国Akron大学高分子科学与工程学院院长。2008年当选美国工程院院士。其研究广泛涉及高分子凝聚态和液晶体系。迄今在国际学术刊物上发表SCI收录论文500余篇，总引用率15000余次，H因子为67。在各学术会议上做邀请报告700多次。申请美国和世界发明专利14项。著有学术专著1部。获得了多项奖励及荣誉称号，包括Presidential Young Investigator Award, John H. Dillon Medal, Polymer Physics Prize，影响世界华人大奖等。

期刊介绍：

Science China Chemistry（《中国科学：化学》）是 Science China（《中国科学》）系列期刊之一，是中国科学院与国家自然科学基金委员会共同主办的学术期刊，主要报道化学科学及其交叉领域的基础和应用研究方面的创新性成果，月刊。2015年影响因子为2.429。发表的文章类型有：Highlights(亮点介绍), Perspectives(展望), Mini Reviews(小综述), Reviews(综述), Feature Articles(专题论述), Articles(论文), Communications(通讯)。