一、粒子自组装

粒子自组装是自组装科学中一个新的重要的研究领域。通过粒子组装，人们能够像分子构筑超分子那样，以粒子为构筑单元构建结构、形态和性能与分子组装体完全不同的粒子组装体。在某些情况下，用于组装的粒子本身也是由分子组装形成，在其内部分子有序排列。因此，粒子的高级组装有可能将微观有序性拓展至更大甚至宏观尺寸，从而成为沟通微观与宏观的桥梁。粒子组装也是很多生命体形成精确结构的重要途径，研究粒子的组装有助于我们更为深入地理解生命现象的本质，并使我们能够通过对生命体组装过程的学习与模仿，获得结构独特、性能优异的功能材料。

[例一]

我们于2006年开始从事具有柔性的不对称粒子的制备与组装研究。在这之前，文献报导的Janus粒子主要为刚性的球形（或形状接近球形的）粒子，体积在微米或亚微米范围内。这样的粒子难以组装成规整的高级结构。这是由于这些刚性的Janus粒子的体积太大，各向同性的范德华相互作用抵消了各向异性的相互作用；另外，刚性粒子缺少通过形变来获得最稳定结合及结构的能力。如下图所示，在该工作中，我们利用嵌段共聚物与无机纳米管表面络合形成的杂化纳米管为不对称工具（纳米管大的比表面可以提高粒子的制备效率；聚合物层的固态性质抑制了粒子在制备过程中可能发生的在界面的旋转），制得了纳米尺寸的不对称粒子。该不对称粒子可以再组装形成窄分布的结构规整的超胶束；在一定条件下，超胶束可解离成不对称粒子（Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 6321）。我们有关柔性粒子组装的部分工作总结于我们应邀撰写的评述中（Prog. Polym. Sci., 2012, 37, 445）。

说明：在水溶液中（pH>7），由于P4VP（聚4乙烯基吡啶）嵌段与氢氧化钇纳米管表面的羟基络合，在纳米管表面形成疏水层；由于PEO嵌段的水溶性，杂化纳米管可在水中分散。在疏水层中溶解二乙烯基苯（DVB）及AIBN，水相中溶解NIPAM。聚合时，疏水层中发生相分离形成PDVB小球。小球不断长大后顶端与水相接触，引发NIPAM聚合，从而在PDVB小球的一侧形成PNIPAM接枝链，得到不对称粒子。不对称粒子在水溶液中组装成尺寸窄分布的超胶束；超胶束在云母表面或在过量表面活性剂的作用下解离成不对称粒子。利用疏水层大的比表面，可以高效率制备不对称粒子。

[例二]

由不对称粒子组装获得管状及片状高级组装结构

在分子组装体系中，通过调控各个组分的结构参数可以调控组装体的结构与形态。但对于Janus柔性粒子而言，其本身的合成就是一个挑战，要调控其结构参数相当困难。我们从混合的两嵌段聚合物分子溶液出发，利用我们发展的化学交联诱导嵌段共聚物胶束化的方法和原理（Macromolecules, 2003, 36, 2576; Macromolecules, 2005, 38, 5834），首先在共同溶剂中利用非共价键交联两种嵌段共聚物的共同嵌段的方法（如下图所示），制备出具有混合壳结构的疏松核柔性聚合物胶束。再通过溶剂切换，形成在受限条件下的核表面发生微相分离的新型胶束粒子，然后通过调节溶剂参数（如pH 值），促使壳的亲水嵌段与疏松的核发生络合塌陷到核中，使得胶束表面原本被亲水嵌段保护的疏水部分聚集到一起，与亲水部分发生进一步相分离，最终形成不对称聚合物纳米粒子。利用对嵌段共聚物结构参数的控制，可以实现对Janus粒子结构参数的调控，使该粒子能够进一步组装成管状与片状高级结构。这是第一次由不对称粒子出发，组装形成球形以外的高级结构 (Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 10171-10174)。

a.不对称粒子的形成以及组装过程示意图；b.不对称粒子形成片状高级结构的可能机制。

[例三]

 环状各向异性粒子的构筑及其二维组装

简言之，要制备环状各向异性粒子即是：在球形粒子的赤道区域修饰上另一种（与小球表面不同的）化学物质。可以想象，这是十分困难的。我们通过单链DNA与胶束形成1:1络合物的方法，成功实现了环状各向异性粒子的制备。这个工作的关键点是：1.使得单链DNA的长度与聚合物胶束的周长相当；2.使得聚合物胶束带少量的正电荷。由于DNA链与聚合物胶束的周长相当，使得1个DNA链同时作用与多个胶束的可能性下降；由于胶束仅带有少量正电荷，当该胶束与第一根DNA链作用形成1:1络合物后就变成带负电；该1:1络合物与DNA链相互排斥。因此，只能得到1:1的DNA/胶束络合物。再由于胶束所带的正电荷量较少，胶束与DNA的作用较弱，使得DNA需要与胶束较完美的结合（即缠在胶束赤道上，使得DNA与胶束的络合程度最高）才能形成在溶液中稳定的络合物结构。聚合物胶束的环状区域因为与DNA络合而变得不稳定，使得该络合物可以沿着环状区域进行二维组装。因此，这种由DNA缠绕在聚合物胶束赤道上得到的粒子可以看作是环状各向异性粒子（Chem. Commun., 2010, 46, 6135）。

[例四]  

双亲性单链粒子的制备与组装以及组装体的性能研究：

1) 如何严格地在每一个小球的两端分别修饰上两根不同的高分子链？通过小球表面的修饰是无法做到的。但是，如果利用一个三嵌段共聚物，将中间嵌段塌缩成小球，就能够做到这一点（原理上，中间小球的成分与大小是可以通过杂化等加以改变的）。

如下图所示，从ABC三嵌段共聚物出发，在其共同溶剂中实施中间嵌段B的交联。如果A、C嵌段的长度较长，由于A、C两嵌段的屏蔽效应，将使得交联反应在链内进行。这样，中间B嵌段交联后塌缩成单链小球，小球的两侧分别连有A、C嵌段。由此得到的产物为单链不对称粒子。该粒子可进一步组装成超胶束。这样的单链交联反应可在高浓度下进行。对照实验表明，无论是非共价交联B嵌段，还是在A、C的选择性溶剂中由B嵌段聚集实施胶束化，都难以得到单链不对称粒子。而化学交联诱导的嵌段共聚物胶束化不同。交联反应较慢以及不同链上B嵌段间的接触概率很低（由于A及C嵌段的屏蔽）这两种因素的共同作用，才使得交联反应主要在链内进行（Macromolecules, 2008, 41, 8159）。 

单链双亲性粒子的制备与自组装

2) 设想，一个由单链蝌蚪状粒子的“头部”聚集形成的超胶束和普通嵌段共聚物胶束在结构和性能上会有很大的不同。原因是：在嵌段共聚物胶束的核中，成核分子链之间聚集充分；成核分子链较长时，其在胶束核内部会有缠结。与之不同的是，该超胶束的核中没有缠结，成核组分间的接触不充分，核内部会有堆积孔。另外，两者之间还会有疏溶剂/亲溶剂平衡的方式截然不同等。基于这样的考虑，我们开展了下面的工作。

通过在共同溶剂DMF中直接光交联聚环氧乙烷-b-甲基丙烯酸 2-肉桂酸酯(PEO-b-PCEMA)嵌段共聚物，简便、高效地合成了以聚环氧乙烷PEO链为尾部，以交联的甲基丙烯酸 2-肉桂酸酯PCEMA为头部的蝌蚪状非对称粒子。研究表明，当交联速度较慢时，在相对高浓度的共聚物条件下，分子内的交联起主导作用，从而形成了单链的蝌蚪状非对称粒子。在此粒子“尾部”的选择性溶剂中，刚性的“头部”聚集成超级粒子。可以想象，这种粒子的内部没有缠结，因此经过温和的超声处理粒子组装体就会解离成为单分散的蝌蚪状非对称粒子。研究表明，粒子组装体的内部仍然存在着连接外界环境和粒子内部的亲水通道, 使得亲水性的小分子可以在粒子内部快速传递。 以上这些特征使得超级粒子在很多方面具有良好的应用前景（Macromolecules 2014，47, 365-372）。

[例五]  

各向同性粒子的各向异性组装

对于各向同性粒子之间的聚集，有大量的文献报导。根据聚集的难易程度，各向同性粒子聚集的机制可分别为扩散控制聚集（Diffusion limited aggregation）和化学反应控制聚集（Reaction limited aggregation）。我们注意到，这些粒子的聚集是由于粒子的表面相互吸引所致。粒子之间没有可平衡吸引的排斥力。这样的粒子聚集将会是各项同性的，将会导致不规整结构。

我们主要研究嵌段共聚物在溶液中形成的组装体，组装体的初级结构都是核壳结构，体系中的变化经常是由核与核之间的再聚集导致。而在核与核之间聚集的过程中，壳与壳之间会互相排斥，会平衡或调控核与核之间的聚集。这样，粒子的聚集就有可能导致规整结构。

我们早在2005年就报道了各向同性粒子的各向异性组装；据我们所知，这是第一个各向同性粒子发生各向异性规整组装的例子。如下图所示，当核的交联密度较低，且处于溶涨状态时，核是柔性的。壳分子链处于溶剂化状态，相互排斥，且在表面上具有一定的运动性。当一个粒子在其两端分别和另外两个粒子发生核－核偶联后，由于核的柔性及成壳分子链的运动性，使得该粒子上原本处于两端的壳分子链向侧面集中，侧面壳分子链的密度显著增加。因此，图中表示为closed的区域变得不再能与其它粒子发生核－核偶联；而表示为“opened” 的区域依然可以和别的粒子发生偶联反应。这样，每个粒子相当于两个官能度的“单体”，由此导致核壳纳米线的形成(Macromolecules, 2005, 38, 3550)。

我们在各向同性粒子的各向异性组装方面开展了一系列的工作（Soft Matter, 2012, 8, 8636； Macromolecules 2009, 42, 7108；Chem. Commun., 2009, 6234）。本质上，各向同性的粒子组装的驱动力也是各向异性相互作用。组装单元在最终得到的组装体中呈各向异性；该各向异性是在组装过程中诱导产生的。

[例六]  

分子-粒子-分子程序化组装构建具有双连续结构的超粒子

规整的超粒子结构的形成取决于体系中吸引与排斥达成平衡的方式。我们在极性有机溶剂中构建含有聚电解质嵌段的聚合物胶束。加水后，胶束发生聚集，同时聚电解质嵌段发生电离，使得体系中粒子间的排斥持续增加并很快终止由疏水成分相互吸引导致的聚集（这是一种典型的Self-limited aggregation），可以获得窄分布的超粒子。有意义的是，超粒子内部由于介质和聚合物嵌段性质的变化而发生进一步的粒子内相分离，可以形成多级规整结构。

在该工作中，我们用三嵌段共聚物聚苯乙烯-聚丙烯酸-聚苯乙烯磺酸钠（PS-b-PAA-b-PSSNa）在DMF中形成聚合物胶束，胶束的核由PSSNa构成，中间壳（corona）由PAA构成，壳由PS构成。加水后，由于PS壳的高度疏水，使得胶束之间发生聚集。在胶束聚集的同时，由于水的渗透，使得PSSNa电离，粒子带有负电荷。粒子体积的增加同时伴有电荷数的增加。当粒子的大小增加到一定程度时，粒子之间的疏水相互作用被粒子所带电荷间的排斥作用平衡，粒子的体积因此稳定。这样可以获得体积窄分布的高级粒子。高级粒子的尺寸为初级胶束尺寸的8-9倍。即每个高级粒子中含有大量的初级粒子。有意义的是，进一步的加水会使得粒子的内部进一步发生相分离。控制水向核中扩散的速度，可以分别获得大体积的复合胶束以及内部具有双连续相高级结构粒子。由于双连续相结构的存在，使得PSSNa中的钠离子可以完全被质子交换（ACS Macro Letters, 2012, 1, 1312）。

二、大分子程序化及精确自组装

大自然是真正的自组装大师。生命体中的自组装不仅能够精确地控制组装体的大小和形态，而且能够精确控制组装体的结构。例如，在由多肽自组装形成的功能蛋白（如生物酶）的功能区域（如酶的活性中心）中，基团在空间中的分布是精确的，由此可以使得生物体系中的弱相互作用高度协同，获得具有高活性及高度选择性的生物功能（如生物酶的催化功能）。

生命体中的组装是程序化的。另外，生命体中的程序化自组装过程应该是在特定条件下（即预组装条件下）能量最优化导引的。因为，最优化状态下的结构精确性也是生物体系获得精确结构的必要条件。

大分子的精确组装是大分子自组装领域所面临的挑战之一。在最近的工作中，我们幸运地在这个方向上获得少许进展。

1：利用聚合物胶束与DNA的组装来模拟染色体的形成，并构建具有精确结构的组装体

（1）利用大分子自组装来获得精确结构是大分子自组装领域面对的重大难题。我们利用PEO-b-P4VP(聚4乙烯基吡啶)胶束与双链DNA的协同组装，通过控制二者间的相互作用，使得动力学陷落的结构变得不稳定，最终获得了能量最优化的 beads-on-a-string（串珠状）结构组装体；该组装体与DNA和组蛋白形成的串珠状染色体结构极其相似。能量最优化结构的形成是在这个复杂的相互作用体系中获得高度单分散的组装体的根本原因。而之所以能够从这样复杂的相互作用体系中获得能量最优化结构，是由于我们控制体系中的相互作用，使得动力学陷落的结构不稳定。

在组装的后期，预先形成的组装体诱导并约束了聚合物胶束在串珠状结构中的进一步组装，形成单分散的核壳结构纳米线；聚合物胶束与DNA的组装与染色体形成的多级组装过程具有本质上的相似性。我们还进一步证明，在核壳结构的单分散纳米线中，由于已知序列分布的单分散DNA在纳米线的核的表面上以左手螺旋方式精确缠绕，使得该表面上有精确结构，可以被精确修饰。这是通过合成大分子组装获得精确结构的第一个例子（Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 8744）。

 （2） 最近，我们成功地将线型DNA与聚合物胶束之间的精确组装扩展至单分散的环状质粒DNA与高分子胶束组装体系，制备出单分散的环状串珠状结构；一定条件下，“串珠”中相邻的聚合物胶束间能够发生核与核之间的融合，从而进一步形成具有核壳结构的聚合物纳米环。其结构参数可通过调节DNA及胶束的参数来精确控制，从而可在一定范围内实现具有核壳结构的聚合物纳米环的可控制备。进一步地，在合成单分散纳米环的基础上，我们实现了环与球之间在纳米尺度上的“主客体”相互作用（J. Am. Chem. Soc., 2014. 136, 15933）。

2：单官能团粒子的制备

我们知道，每个粒子的表面通常有三位数以上的可反应官能团。原理上，即使是在改性分子的数目与粒子的数目比为1:1甚至是远小于1:1的情况下，得到的产物也应该是单分子修饰、多分子修饰以及未被修饰的粒子的混合物；也即在产物中每个粒子表面修饰上的官能团数目受到统计学的支配。

我们的方法是：利用Grafting to的方法，实现聚合物在硅球表面上的稀疏接枝；实施在硅球表面上稀疏接枝的单分子链的链内交联，得到接枝在硅球表面的聚合物单链小球；去除模板后，原来在硅球上接枝的链末端会暴露出来，从而赋予聚合物单链小球以单价态 （Chem. Commun., 2015, 51, 1842）。

三、粒子组装的应用探索

在界面活性、光电性质（涉及到半导体或金属粒子）、生物体中的行为等诸多方面，粒子与其构造单元的性质都截然不同。基于我们在粒子组装方面的经验，我们将控制粒子的性质与结构，调控粒子在弱作用下的行为，来满足药物控释、功能化表界面构建、功能化（如具有Fano效应、较长波长电磁波吸收等功能）材料制备等对粒子及其粒子组装体的复杂要求(Biomaterials 2014, 35, 7870, Biomaterials, 2012, 33, 4220, Polymer Chemistry, 2015, 6, 1688, and some unpublished results)。