郑州大学李占伟:聚合物莫比乌斯带自组装的形成及手性传递机制解析

聚合物莫比乌斯带具有单面拓扑结构，展现出优异的光学与力学性能，在前沿技术领域具备广阔应用前景。然而，目前缺乏成熟的手性形貌构筑设计原则与调控机制，制约了其实际应用落地。

郑州大学李占伟团队针对手性嵌段共聚物，建立了一套定制化的介观分子动力学模拟方法，从机理层面探究聚合物莫比乌斯带的形成规律与手性传递过程。研究结果表明：亲溶剂非手性嵌段会形成隔离冠层，依托界面相互作用动态构筑局部微环境，手性嵌段在该微环境内发生自组装；该微环境可诱导手性嵌段域内形成胆甾型液晶有序结构，进而触发两步手性传递过程。莫比乌斯带形成过程中，手性传递跨越三个层级：从单体的构型点手性，传递至手性嵌段的构象螺旋手性，最终逐级传递为莫比乌斯带的组装整体手性。本研究阐明了聚合物莫比乌斯带的形成与手性传递内在机制，为新型手性高分子材料的理性设计奠定了重要理论基础。相关成果发表于《Macromolecules》上。

通俗解读文献核心内容

这篇文章用分子动力学模拟的方式，研究了手性嵌段共聚物自己组装成莫比乌斯带的全过程和手性怎么一步步传递的规律。

这种高分子莫比乌斯带性能很好，但之前没人搞懂它怎么形成、手性怎么来、怎么精准控制；

研究者搭建了粗粒度模拟模型，把高分子分成非手性亲水段、手性疏水螺旋段，模拟在溶液里的自组装行为；

亲水段会在外层形成保护层，给内部手性链创造专属微环境，让手性链规整排列成液晶结构；

手性会分三级传递：小分子单体手性→高分子链螺旋手性→最终莫比乌斯带整体拓扑手性，还出现了手性反转现象；

调控亲水 / 疏水排斥程度、嵌段长度、溶剂性质，能控制能不能形成莫比乌斯带、成品产率和手性方向；

还还原了组装动力学过程：先小聚集体→纺锤形胶束→首尾闭环变成莫比乌斯带，整个过程主要由能量焓变主导，部分条件下熵变也起到补偿作用；

研究给出了设计制备高分子莫比乌斯带的参数规则，可用于手性光学、传感、柔性智能材料等领域。

图注中文翻译

图 1手性嵌段共聚物模型及自组装典型形貌。(a) 聚苯乙烯 - 聚 D - 乳酸 (PS-b-PDLA) 化学结构；(b) D - 乳酸七聚体全原子右手 (P 型) 构象，同时给出通用粗粒度手性嵌段共聚物模型示意图，非手性嵌段为柔性链，手性嵌段由螺旋排列补丁粒子构成半柔性链，粒子平面间固定二面角 φ₀定义补丁间扭转角；(c,d) 模拟得到的手性嵌段共聚物莫比乌斯带整体形貌与截面形貌，浅蓝色区域为非手性嵌段形成的冠层；(e,f) 补丁粒子模式与成键着色模式可视化莫比乌斯带结构，键色反映手性嵌段局部取向序参数 P₂，全文采用统一配色标尺。

图 2非手性嵌段疏水性 χ_NS 及手性 / 非手性嵌段间不相容性 χ_CN 的影响。(a,b) 固定参数下改变 χ_NS、χ_CN 对应的手性嵌段自组装形貌；(c,f) 非手性粒子 (N)、手性粒子 (C)、溶剂粒子 (S) 间对应的接触数；(d,g) 不同粒子间接触能及手性嵌段聚集熵；(e,h) 赝标量取向关联函数 S₂₂₁，用于表征手性嵌段排列的手性空间关联特征。

图 3手性嵌段疏水性 χ_CS 及非手性嵌段长度 L_N 的影响。(a,b) 固定参数下改变 χ_CS、L_N 对应的手性嵌段自组装形貌；(c,f) 非手性、手性、溶剂粒子间对应接触数；(d) 增大 χ_CS 时粒子间接触能与手性嵌段聚集熵变化；(g) 增大 L_N 时粒子间接触能与非手性嵌段构象熵变化；(e,h) 手性嵌段排列手性空间关联的取向关联函数表征。当 L_N 或 χ_CS 超过临界阈值时，非手性嵌段溶剂屏蔽效应增强，利于莫比乌斯带形成。

图 4莫比乌斯带形成动力学与手性传递演化。(a−f) 自组装不同阶段手性嵌段组装形貌；(g−i) 自组装过程特征参量演化：(g) 非手性、手性、溶剂粒子间接触数；(h) 粒子间接触能与手性嵌段聚集熵；(i) 赝标量取向关联函数 S₂₂₁，反映组装过程手性空间关联的演变规律。模拟采用固定相互作用参数：χ_CN=1.53、χ_NS=1.22、χ_CS=10.71。

图 5莫比乌斯带形成过程的三级层级手性传递，及手性空间关联与几何角度参量量化表征。(a) 基于三维欧氏距离计算的手性嵌段、纺锤形胶束、莫比乌斯带的赝标量取向关联函数 S₂₂₁；(b) 几何角度参量 θ_z（共面性表征）与 φ_xy（xy 平面内条带取向变化量化）；(c) 纺锤形胶束与莫比乌斯带沿骨架中心线的几何适配型赝标量取向关联函数 S₂₂₁ⁿ(r_arc)；(d) 莫比乌斯带自组装的三级层级手性传递：单体点手性→手性嵌段螺旋手性→自组装形貌的组装手性。

文献 DOI

10.1021/acs.macromol.6c00677