通过时间分辨的不对称流场流式分级技术绘制超分子系统的能量分布图

《Materials Advances》：Mapping the energy landscape of a supramolecular system via time-resolved asymmetric-flow field flow fractionation

自组装超分子系统的能量 landscapes 分析：通过不对称流场流色谱（AF4）结合多角度光散射和折射率检测，系统研究了聚合物-肽共轭物的自组装行为。结果表明，氢键主导的热力学路径需要克服高能垒，而疏水相互作用引发的动力学路径会形成不稳定的无序聚集体，阻碍纳米管结构的形成。制备方法（如预溶解步骤）显著影响能量 landscapes 的复杂性，通过调整溶剂加入顺序可调控自组装动力学。该研究为精确控制超分子组装提供了新策略，适用于生物医学应用。

　　在现代材料科学和纳米技术领域，自组装（self-assembly）是构建复杂结构的重要手段。这一过程依赖于分子间非共价相互作用，如氢键、疏水效应、范德华力和静电相互作用等。自组装不仅决定了材料的宏观结构，还深刻影响其功能特性，例如机械性能、生物相容性以及在药物递送和组织工程中的应用潜力。因此，理解自组装的能量景观（energy landscape）及其路径复杂性对于设计具有目标功能的超分子系统至关重要。本文旨在提出一种通用策略，通过监测自组装过程中形成的结构及其演化过程，以绘制能量景观，并以此为基础探索分子设计与制备方法如何影响最终的自组装结果。

自组装系统的能量景观通常包含多个局部极小值和一个全局极小值，这些极小值对应于不同的结构状态。其中，热力学控制的自组装结构通常位于全局极小值，具有较高的稳定性，并且在长时间内不会发生进一步的重组。相比之下，动力学控制的结构则处于较高的能量状态，由于存在激活能势垒，这些结构可能在某些条件下长期保持不变，成为所谓的“动力学陷阱”（kinetic traps）。当动力学路径主导时，系统可能形成不稳定的、无序的聚集物，而这些聚集物在某些情况下会阻碍有序结构的形成。因此，调控自组装路径的选择，以实现对最终结构的精准控制，成为超分子化学和材料科学中的一个关键挑战。

本文的研究对象是一种具有α-交替构型（α-alt(d,l)）的环状肽-聚合物偶联物系统。这类环状肽因其能够通过氢键驱动的β-折叠堆叠形成纳米管结构而受到广泛关注。然而，由于疏水效应和氢键之间的竞争，其自组装路径可能受到分子设计和制备条件的显著影响。通过引入疏水性聚合物段，研究人员能够调控疏水效应的强度，从而影响自组装过程中氢键的主导地位。此外，制备过程中的溶剂处理方式，例如是否在水中直接溶解或通过氢键竞争性溶剂预溶解，也会影响自组装的路径选择和最终结构的稳定性。

为了解释这一现象，研究团队采用了一种基于时间分辨的非对称流场流分离（asymmetric-flow field-flow fractionation, AF4）方法，结合多角度光散射（MALS）和折射率（RI）检测技术，对自组装过程中的结构演变进行了系统分析。AF4是一种非侵入性的分离技术，能够根据分子尺寸差异实现对超分子结构的高分辨率检测。通过这种方法，研究者能够观察到不同时间点上形成的结构种类及其相对丰度，从而揭示自组装路径的动态变化过程。研究结果表明，系统在自组装过程中经历了多个中间阶段，包括单个纳米管（SCPPNs）、多纳米管堆叠（M-SCPPNs）以及可能的无序聚集物（D-aggregates）。这些结构的形成与演化体现了能量景观中不同路径之间的竞争关系。

进一步的分析表明，疏水效应在某些情况下会主导自组装路径，尤其是在制备过程中未进行预溶解的情况下。此时，疏水相互作用促使分子间快速聚集，形成无序结构，而这些结构的形成可能延迟或阻碍氢键主导的有序纳米管的形成。相比之下，当系统经历预溶解步骤后，疏水性被有效屏蔽，氢键得以主导自组装过程，从而形成具有较高稳定性的纳米管结构。研究团队还发现，随着自组装时间的延长，无序聚集物逐渐解离，释放出单体，这些单体能够重新参与纳米管的形成，表明系统存在一定的可逆性。这种动态平衡的建立依赖于系统内部的熵补偿机制，即通过疏水效应释放有序水分子，从而降低系统整体的熵损失。

通过比较不同制备条件下的自组装行为，研究团队发现，自组装路径的选择不仅受到分子设计的影响，还与具体的实验操作密切相关。例如，当疏水性较低且单体充分溶解时，系统倾向于沿着热力学路径发展，最终形成稳定的纳米管结构。而当疏水性较高且未进行充分溶解时，系统则可能被动力学路径所主导，形成不稳定的无序聚集物。这些无序聚集物虽然在短时间内占据主导地位，但它们的形成往往伴随着较高的熵损失，使得系统在较长的时间尺度上难以达到热力学平衡。这种现象在生物医学应用中尤为重要，因为纳米管结构的稳定性直接关系到其在体内的功能表现，例如药物释放效率、细胞相互作用等。

此外，研究团队还探讨了不同浓度条件下纳米管结构的稳定性。通过调整溶液的浓度，他们发现纳米管的大小和形态在一定范围内保持稳定，即使在稀释后，其结构依然能够维持。这一发现进一步支持了纳米管在自组装过程中具有良好的机械稳定性和功能适应性，表明其在生物医学和纳米材料领域具有广阔的应用前景。研究还指出，疏水性聚合物壳层在保护环状肽核心免受溶剂干扰方面起到了关键作用，有助于维持氢键网络的完整性，从而促进稳定的纳米管结构的形成。

在本研究中，团队还提出了一种新的理论模型，用以解释自组装过程中熵补偿机制的作用。该模型认为，自组装的初始阶段主要受到溶剂熵损失的影响，而随着氢键网络的形成，系统能够通过熵补偿机制逐步降低能量势垒，最终达到热力学平衡。这一模型为理解自组装路径的复杂性提供了新的视角，并有助于指导未来的分子设计和制备策略。

总之，本文通过系统的实验分析和理论建模，揭示了疏水效应与氢键在自组装过程中的相互作用及其对能量景观的影响。研究结果表明，自组装路径的选择受到分子设计和制备方法的双重调控，而动力学与热力学之间的平衡则是决定最终结构稳定性的关键因素。这一发现不仅为超分子材料的设计提供了理论支持，也为实际应用中的结构调控提供了实验依据。未来的研究将进一步量化这些热力学参数，如熵变（ΔS）、焓变（ΔH）和自由能变化（ΔG），以实现对自组装过程的更精确控制，并推动相关技术在生物医学、纳米材料和功能材料等领域的应用。