高分子和超分子有很多相似處，主要區別是前者是由共價鍵連接的聚合物，而後者是由非共價鍵連接的聚合物。
高分子在溶液中可以形成均勻溶液、非均勻溶液、凝膠或沈澱。
其中，高分子的非均勻溶液可由液液相分離生成，這一點已得到生物學家、生物物理學家、化學家、藥學家等人士的高度關註。
高分子的液液相分離，正越來越多地被認為是細胞內無膜細胞器的生成原因，與細胞功能、疾病發展、藥物開發等息息相關。
另一方面，超分子因為它獨特的非共價可逆聚合的特點、可模塊化功能化的優勢、刺激響應性和生物相容性，在生物醫學領域有著不錯的應用潛力。
並且，超分子可以滿足很多傳統醫學材料如陶瓷、金屬和高分子所不能滿足的醫學需求。
但是，奇怪的是在大量研究超分子溶液的文獻中，人們只討論均勻溶液、凝膠或沈澱，超分子的液液相分離很神奇地逃過了人們的關註點。
超分子和高分子的相似度如此之高，那超分子到底可以發生液液相分離嗎？
（來源：Nature）
在一次過夜實驗中，目前正在荷蘭埃因霍溫理工大學從事博士後研究的付海林和所在團隊，意外發現了一種新現象。
即一種由熒光標記的水溶性超分子——尿苷嘧啶酮甘氨酸（UPy-Gly），隨著時間從均勻溶液變成了不均勻溶液，有些液態區域明顯比其他液態區域濃度更高。
這一發現提示他們超分子發生了液液相分離。在此基礎之上，他們又通過各種表征手段進行了深入研究。
借此發現超分子在液液相分離後形成了液晶態，液晶態的構型可由溶液的擁擠效應進行調控。
但是，對於超分子液晶相來說，它和常見的小分子液晶相、以及生物纖維液晶相都存在區別。
主要原因是超分子聚合行為會導致溶液在一段時間內處於非平衡態，並且會改變液晶的動態性質、形貌、內部排列、力學性質等等很多方面的性質。
因此，付海林的課題一開始聚焦點在於超分子與發生液液相分離的高分子體系的相互作用。
在這個體系裏該團隊發現了大量的有趣現象，但是由於體系組分復雜，實驗現象難以解釋，因此他們對實驗進行了大幅簡化，並做了大量的控製實驗。
在意外發現上述現象之後，他們對之前的課題有了新的思考，並決定選取超分子液液相分離作為新的切入點。
在對這一現象進行研究之後，他們對之前復雜體系裏的現象也有了更加清晰的理解。就這樣，一開始研究的起點，在論文撰稿時就變成了研究的終點。
付海林表示：「在課題有了清晰方向和良好成果之後，導師對我說他曾認為本次課題要失敗了，而他也勸我同時研究一下別的課題，就是為了防止我的科研事業因此受挫。」
不過後來導師說，他很慶幸沒有讓付海林停下手上的研究。「我想讓導師虛驚一場的原因可能是前期課題過於復雜。不過在導師的建議下我簡化了課題，整個研究也就迎來柳暗花明了。」付海林說。
圖 | 付海林（來源：付海林）
最終，相關論文以《超分子聚合物通過液相-液相分離形成類晶簇》（Supramolecular polymers form tactoids through liquid–liquid phase separation）為題發在 Nature[1]。
付海林是第一作者兼共同通訊，荷蘭埃因霍溫理工大學教授 E.W.梅傑（E.W.Meijer）擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nature）
一位審稿人認為這一發現很不尋常、很新穎並且令人激動，但是考慮到超分子的棒狀結構，又十分合理。
另一位審稿人認為課題組采用了很多表征手段去詳盡的表征各種實驗現象，在技術層面具有很高的質量，對於超分子類晶簇生長過程的表征和在液液界面和液固界面的研究達到了最高標準。
還有一位審稿人認為，超分子液液相分離的發現為生物纖維的相分離開啟了一扇新的大門，因為合成超分子具有非常高的化學多樣性，並且易修飾。
美國雪城大學珍妮佛·羅斯（Jennifer L. Ross）教授專門為本次論文寫了一篇 News and views 文章，發表在同期的 Nature 上。
據介紹，超分子可以作為一種液晶小分子的放大模擬物，進一步幫助理解液晶的自組裝。
另外，合成超分子的簡潔性和它在化學方面的多樣性，將更有利於闡明生物纖維在液液相分離中的挑戰性問題。
與此同時，對於具有生物相容性的超分子而言，通過液液相分離形成具有易調節的動態性質、內部排列和外部形貌的超分子類晶簇後，可以被用來製造與細胞和組織有動態相互作用的生物材料。
在現有超分子材料研究的基礎上，他們認為超分子的液液相分離行為，將會引領更多具有創新功能的新材料的誕生。
圖 | 付海林（來源：Eindhoven University of Technology/Bart van Overbeeke）
而在研究超分子液液相分離過程中，他們發現了很多有趣的現象，有很多是在其他液晶體系中從未觀察到的。
目前，課題組正在和液晶領域的專家合作進一步深入理解超分子液晶。
另外，他們還在探索超分子化學方面的多樣性，以便為超分子液液相分離帶來更多可能，從而使用超分子液液相分離構建更可控的液態結構或固態結構，促進超分子在催化、生物醫學材料等方面的應用。
另據悉，付海林即將在 2024 年 9 月入職西湖大學擔任助理教授，目前正在招募博士和博士後，感興趣可聯系 [email protected] 或者 [email protected][運營/排版：何晨龍/來源: DeepTech深科技]
參考資料：
1.Fu, H., Huang, J., van der Tol, J.J.B. et al. Supramolecular polymers form tactoids through liquid–liquid phase separation. Nature 626, 1011–1018 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07034-7
