Nat. Chem.：化学诺奖得主的人造肌肉有什么不同？

基于肌肉组织的运动，是动物之所以被称为“动”物的基础。大到运动会上的百米冲刺，小到打开本文时的手指点击，本质上都是肌肉组织中纳米尺度的分子运动集合放大到宏观尺度的结果。肌肉运动的力量和效率给了科学家不少启发，他们也开发了各种各样的“人造肌肉”软致动器材料，以期望在机器人、制造业、医学等领域大展拳脚。目前人造肌肉的主流是电活性聚合物、形状记忆聚合物等基于共价键的聚合物，基于超分子的人造肌肉却少见报道。而在自然界中，肌肉组织中的“蛋白质马达”——肌球蛋白实际上就是一种由大型蛋白质组成的多级超分子组装体。

分子机器在2016年赢得了诺贝尔化学奖（点击阅读详细），此后很多人可能都有过这样的问题：分子机器到底能做什么？化学家认为其中一个可能的方向，就是将分子层面的机械运动转化为宏观层面的运动，从而真正执行任务。能否将在微观尺度运动的分子机器组织起来，在宏观尺度发挥类似人造肌肉的功能呢？近日，2016年诺贝尔化学奖得主之一、荷兰格罗宁根大学教授Ben L. Feringa（点击查看介绍）及其团队报道了一种基于小分子光响应性分子马达的多级超分子自组装体，实现了类似肌肉的运动。该文发表于Nature Chemistry 之上，共同第一作者为陈家文（Jiawen Chen）博士和Franco King-Chi Leung博士。

Ben L. Feringa教授。图片来源：University of Groningen

该超分子系统的基础依然是该组之前所研究过的具有定向转动功能的分子马达，并在其两端引入憎水和亲水基团形成分子马达1。因为其具有两亲性，在水溶液中可以自组装形成纳米纤维结构。为了避免诸如结晶等复杂的状况发生，作者选择在CaCl₂溶液中进行试验，将含有纳米纤维的溶液注入CaCl₂溶液，得到呈单方向排列的纳米纤维束，并基于这些纳米纤维束制得“人造肌肉线”。作者设想，在光照及加热情况下分子马达1发生光化学异构和热螺旋反转，由此完成转动循环（图1b），并可能将这种微观层面的运动经由多级超分子自组装系统放大为宏观层面的运动（图1a）。

图1. a）分子马达自组装成纳米纤维，排列成纳米纤维束和光照弯曲过程的示意图；b）分子马达经光照和加热发生光化学异构和热螺旋反转。图片来源：Nat. Chem.

作者首先研究了一条“人造肌肉线”在水溶液中紫外光（λ = 365 nm）照射下的变化情况。该人造肌肉线可以在60 s内朝向光源方向弯曲至90˚。值得说明的是，这是在材料整体水含量95%的情况下观察到的运动，与此前所报道的高分子水凝胶光响应性变形相比，超分子人造肌肉线的响应速度几乎高出一个数量级，而且幅度也更大（图2a）。超分子人造肌肉线就算连着一个“累赘”的球形末端，一样可以在光照下弯曲90˚（图2b）。当超分子人造肌肉线上的部分区域被光照时，也都能产生朝向光源方向的弯曲（图2c）。接着，他们研究了超分子人造肌肉线在弯曲后的恢复情况，弯曲90˚后加热至50 ℃，3小时内就恢复原状，继续光照依然会出现弯曲（图2d）。

图2. 水溶液中超分子人造肌肉线在光照条件下的弯曲及加热恢复。图片来源：Nat. Chem.

接着，研究者将超分子人造肌肉线从水溶液中取出放置于空气中，紫外光照同样很快能够出现弯曲，在50 s内弯曲至90˚（图3a）。为了进一步证明其性能，他们在其末端附着了一张0.4 mg的纸片，光照后出现45˚的弯曲，经计算其做功约为0.05 μJ（图3b）。虽然看着很不起眼，但这个实验证明了超分子人造肌肉有能力作为致动器，完全可以将微观的分子机器转动转化为宏观的运动，并完成具体的任务。

图3. 空气中超分子人造肌肉线光照条件下的弯曲，并可拉起纸片。图片来源：Nat. Chem.

作者还分析了这种超分子人造肌肉线光响应性致动的机理。在光照下，在光照下分子马达1发生光化学异构变成不稳定的异构体，这种结构变化会导致分子马达单元的排除体积增加，并导致自组装形成的纳米纤维直径增加。超分子人造肌肉线本身体积不变，受到照射的一侧纳米纤维直径增加，相对的轴向长度就会变短，于是光照一侧会发生收缩。没有被光照的一侧长度不变，这样一来超分子人造肌肉线就会整体向着光照方向弯曲（图4）。

图4. 超分子人造肌肉线光响应性致动的可能机理。图片来源：Nat. Chem.

——总结——

Ben Feringa教授团队的超分子肌肉系统展示了其独特的光致动性能，将分子层面的运动放大到宏观层面，在水溶液中只需要5%的光敏小分子马达就能够完成有效的机械运动，并且在空气中也获得了精准调控。这项研究给人造机械材料以及机器人的发展提供了很大的帮助，可能为分子机器的实际应用打开了一扇门。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Artificial muscle-like function from hierarchical supramolecular assembly of photoresponsive molecular motors

Nat. Chem., 2017, DOI: 10.1038/nchem.2887

导师介绍

Ben L. Feringa

http://www.x-mol.com/university/faculty/47865

（本文由PhillyEM供稿）