碳锥[2,3]诱导聚吡咯自主组装成螺旋结构的分子动力学研究及其纳米材料应用潜力

本研究通过分子动力学(MD)模拟揭示了碳锥[2,3]诱导聚吡role(PPy)自主组装成螺旋结构的机制，发现范德华力和π-π堆叠(π-π stacking)是驱动该过程的关键作用力，并系统考察了碳锥数量、PPy链长等变量对构象的影响，为开发新型碳纳米复合材料在电子学、生物医学等领域的应用提供了理论依据。

　　

碳纳米材料作为21世纪最具潜力的材料之一，其家族成员从零维富勒烯、一维碳纳米管到二维石墨烯不断扩展。2019年厦门大学谢素yuan团队首次合成的碳锥分子(C₇₀H₂₀)，因其独特的锥形结构和sp²/sp杂化特性，在电子发射、气体存储等领域展现出特殊价值。然而，碳锥的低产率、提纯困难等问题严重制约了其基础研究与应用开发。与此同时，导电聚合物聚吡role(PPy)因其优异的机械柔性和生物相容性，在柔性电子器件和药物载体等领域备受关注。如何实现碳锥与PPy的精准复合，构建具有协同效应的纳米结构，成为当前纳米材料研究的难点之一。

针对这一挑战，临沂大学机械与车辆工程学院的研究人员采用分子动力学(MD)模拟方法，系统研究了碳锥[2,3]（锥角84°）诱导PPy自主组装的动态过程。研究发现，两个碳锥分子可驱动线性PPy链（含50个单体，长度214.56 ?）自发卷曲形成完美的螺旋结构，且碳锥被包裹于螺旋内部。通过Dreiding力场和Nose热力学方法模拟显示，该过程主要受范德华力(van der Waals)和π-π堆叠相互作用驱动。研究还发现碳锥数量与诱导效率呈正相关，而PPy链长对最终构象影响较小。这项发表于《Inorganic Chemistry Communications》的工作，首次从原子尺度揭示了碳锥模板诱导聚合物自组装的动力学机制。

关键技术包括：1)采用MATERIALS STUDIO软件的FORCITE模块进行MD模拟；2)基于Dreiding力场描述原子相互作用；3)使用Nose热力学方法维持恒温体系；4)系统考察碳锥数量、PPy链长、温度等变量对组装过程的影响。

【Simulation method】
研究团队通过分子动力学模拟，采用包含sp²/sp杂化碳原子的碳锥[2,3]作为模板，发现其五/六元环结构能有效引导PPy分子定向排列。

【Results and discussion】
模拟结果显示：1)双碳锥系统诱导效率显著高于单碳锥；2)PPy链长变化主要影响螺旋圈数而非基本构型；3)温度升高会增强分子运动但维持组装模式。

【Conclusions】
该研究证实碳锥可作为高效纳米模板诱导PPy自组装，其驱动力主要源于非共价相互作用。这种螺旋结构复合材料在柔性电子器件（如纳米弹簧）和靶向给药系统等方面具有重要应用前景。张danhui副教授团队指出，该发现为设计新型功能化碳纳米材料提供了全新思路，特别是解决了传统方法难以精确控制纳米复合结构的难题。研究获得的分子水平认识，将推动碳锥基材料在电子学、磁学和生物医学等领域的实际应用。