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張希院士做客“國際化學(xué)年”談“超雙親分子與可控自組裝”
2011-04-20  來源:中國聚合物網(wǎng)
    4月15日下午,由中國科學(xué)院研究生院“百人學(xué)者論壇”主辦的“國際化學(xué)年”科學(xué)系列講座第三場(chǎng)報(bào)告會(huì)在研究生院玉泉路校區(qū)舉行。來自清華大學(xué)化學(xué)系張希院士以“超雙親分子與可控自組裝”為題,結(jié)合他的研究經(jīng)歷和實(shí)驗(yàn)室研究近況,向同學(xué)們深入淺出地講解了超雙親分子的結(jié)構(gòu)和可控自組裝的研究進(jìn)展。來自國家納米中心的蔣興宇研究員主持了這次報(bào)告會(huì),“百人學(xué)者論壇”理事長宋衛(wèi)國研究員在報(bào)告會(huì)前向張希院士贈(zèng)送了“百人學(xué)者論壇”的紀(jì)念杯。
 
    超分子體系的形成——兩親分子的“物以類聚”
 
    “大家知道,化學(xué)長期以來都是圍繞分子層次展開的,人類創(chuàng)造了近五千萬的化合物。不少是有用的材料和藥物,極大改變?nèi)祟惖纳睢!睆埾T菏恳源俗鳛閳?bào)告的開頭,“但隨著分子化學(xué)的高速發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)許多新穎的現(xiàn)象不僅與單個(gè)分子有關(guān),而且還與分子有序、有層次的聚集有關(guān),這使化學(xué)從分子層次向超分子層次發(fā)展。”
    在簡單地介紹了超分子化學(xué)研究產(chǎn)生的背景后,張希院士向同學(xué)們提出一個(gè)問題:“肥皂為什么能夠洗干凈手和臉?哪位同學(xué)給我們講一講。”在他的鼓勵(lì)下,一位男同學(xué)站起來說出了自己的觀點(diǎn)。“這位同學(xué)說的非常好。因?yàn)槲镆灶惥郏瑑捎H分子放到水中時(shí),疏水的要在一起,親水的在外頭與水接觸。換成化學(xué)語言,叫疏水相互作用。所以雙親分子會(huì)形成超分子體系。最典型的就是膠束。”他用簡單的語言把一個(gè)化學(xué)概念形象地表達(dá)出來。對(duì)于超分子體系,他認(rèn)為這是由大量分子聚集形成的,如由疏水效應(yīng)形成的膠束,或者說熵效應(yīng)。提到了熵,張希院士又提出了第二個(gè)問題:“雙親分子放到水中自發(fā)形成了膠束,形成一個(gè)有序的結(jié)構(gòu)。那它與熱力學(xué)第二定律是不是有矛盾的呢?”同學(xué)們都陷入思考中。
    當(dāng)有同學(xué)提出這是由于整個(gè)體系的表面能減少因而水中的雙親分子會(huì)有序組裝而并不違反熱力學(xué)第二定律時(shí),張希院士又問道:“為什么表面能會(huì)減少呢?”這種一問一答再問再答的互動(dòng)方式,讓會(huì)場(chǎng)的氣氛頓時(shí)變得輕松起來。“我們要計(jì)算整個(gè)體系的熵的變化,”張希院士解釋,“考慮到跟水相互作用會(huì)影響到水與其界面很多的熵變化,因此整體的熵是一個(gè)增大的過程。”
 
各種兩親性分子的設(shè)計(jì)——親水頭部和疏水尾巴的多種鏈接方式
 
    “你們可以做這樣的游戲,拿出一張紙一支筆,把你們能夠想到的親疏水的連接方式都畫出來。比如說兩個(gè)親水的頭通過一個(gè)疏水的尾巴把它們連在一起。”張希院士說。他告訴大家,有一種兩親分子,兩個(gè)親水的頭,通過一個(gè)柔性的間隔就是兩個(gè)尾巴,也可以是離子對(duì),有極低的臨界膠束濃度。
    隨后,張希院士給同學(xué)們講了一個(gè)故事。一次他陪外國朋友到長白山天池,發(fā)現(xiàn)在滾燙的溫泉水中有青苔長出,后來,人們發(fā)現(xiàn)在這種青苔的細(xì)胞膜中有結(jié)構(gòu)特殊的脂質(zhì)——有兩個(gè)親水的頭,通過兩個(gè)疏水尾巴連在一起。“凡是這樣的分子,其相變溫度都能夠達(dá)到六七十度。”他告訴大家。
    接著,張希院士給出了超兩親性分子的定義:“人們利用共價(jià)鍵、非共價(jià)的相互作用可以組裝兩親分子,這些兩親分子叫超兩親分子。”他隨后分別以“電子轉(zhuǎn)移相互作用”進(jìn)行超兩親分子、環(huán)境響應(yīng)性超兩親分子以及類似X、H型的超兩親分子的設(shè)計(jì)與合成三個(gè)合成過程為實(shí)例,從合成反應(yīng)的原料、合成過程中的一些細(xì)節(jié)等詳實(shí)講解了合成的過程與表征,為同學(xué)們提供了更多的合成研究思路。在講解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析的過程中,張希院士還給同學(xué)們講解了實(shí)驗(yàn)過程中一些要注意的細(xì)節(jié)。
    他告訴同學(xué)們:“對(duì)于合成的物質(zhì),光用一種方法表征是不夠的。”作為科學(xué)研究,要得出令人信服的結(jié)論,要用不同的方法得出同樣的結(jié)果才能夠有足夠的說服力。“比如,在用電鏡表征之后再加上一個(gè)光散射檢測(cè)。”他以自己多年的研究經(jīng)歷為例告訴大家,如果在電鏡中進(jìn)行觀察,由于高強(qiáng)度的電子束不停地轟擊,有機(jī)物的結(jié)構(gòu)很容易被打破。“你們?cè)陔婄R下看到樣品被打破了應(yīng)該還高興,因?yàn)檫@證實(shí)它確實(shí)是有機(jī)物組成的。”他還提醒同學(xué)們:“即使是研究超于分子層次的化學(xué),其基礎(chǔ)都源于分子化學(xué),所以每一個(gè)學(xué)化學(xué)的人都應(yīng)該掌握各種合成的方法。” 
    在提問環(huán)節(jié),同學(xué)們都積極提出自己心中的疑問。有同學(xué)針對(duì)張希院士講解中涉及到的酶響應(yīng)性超兩親分子作為藥物載體的緩釋應(yīng)用前景提出了自己對(duì)靶向的準(zhǔn)確性的想法;有同學(xué)對(duì)老師的PPT中精美的動(dòng)畫和圖片制作感興趣,向老師討教制作的過程;有同學(xué)關(guān)注薄膜合成的前沿進(jìn)展,請(qǐng)老師分析薄膜合成的發(fā)展與前景;也有同學(xué)向老師提出了自己對(duì)超雙親分子的構(gòu)筑模式的看法。張希院士對(duì)這些問題都作出了詳細(xì)的解答,并激勵(lì)大家要勇于提出自己的看法,“要不停提出新的想法,即使是別人做過的也沒關(guān)系,只要你總有想法,終有一天你有些想法別人是沒做過的,你將來就可以第一個(gè)做。沒準(zhǔn)做十個(gè)工作就有一個(gè)工作是很重要的。”他還鼓勵(lì)同學(xué)們要到不同的單位、地方去學(xué)習(xí)和發(fā)展,爭取在思維未形成定勢(shì)之前更多的接觸各種各樣的新知識(shí)。
    針對(duì)有同學(xué)提出使用超兩親分子組裝成螺旋結(jié)構(gòu)的想法,張希院士給予了高度評(píng)價(jià)。他告訴同學(xué)們,人們?cè)诨瘜W(xué)發(fā)展中都在不停地向生命學(xué)習(xí)。但人們一直都沒能成功合成有自復(fù)制功能的人工DNA的結(jié)構(gòu),或者是類似的結(jié)構(gòu)。“有人做過,但是最后發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)做錯(cuò)了。錯(cuò)了就是錯(cuò)了,科學(xué)就是這樣,不能保證每句話都是對(duì)的。”他鼓勵(lì)同學(xué)們大膽去設(shè)想,“將來你要是有機(jī)會(huì)的話,可以去想,設(shè)計(jì)什么樣的體系來組裝具有復(fù)制功能的超分子結(jié)構(gòu)。不容易,但并不是不可能,有人嘗試過,但是失敗了,所以你還有機(jī)會(huì)!”同學(xué)們對(duì)張希院士幽默的回答報(bào)以會(huì)意的笑聲。
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