分子結構的案例
前瞻技術｜從物理性質逆推分子結構
眾所周知，采用機器學習方法，基于定量結構-性質關系(QSPR)，可以從分子和晶體結構預測物理性質?，F在，「J-OCTA軟件」1可以進行逆分析，利用京都大學長町實驗室開發的mol-infer數據接口，可以實現從物理性質逆推分子結構。這是一種非常新穎的分子結構生成方法，具有廣闊的應用前景。
第一，利用人工神經網絡(Artificial Neural Network, ANN)從分子結構預測物理性質。第二，通過混合整數線性規劃(Mixed Integer Linear Programming, MILP)求解人工神經網絡的逆運算，能夠在相反的方向上執行快速而準確的運算，這是單獨使用人工神經網絡所不可能實現的。
首先，基于1297組數據集訓練分子結構和物理性質之間的關系。圖1展示的是測試過程中使用的分配系數。
圖1. mol-infer的訓練數據集和目標性質（分配系數=10.0）
其次，使用MILP執行逆運算。設目標分配系數為10.0，生成種子分子的圖結構和對應官能團的樹結構（見圖2），用來預測分子結構。
通過「J-OCTA軟件」1預測的分子結構如圖3所示，得到了4種同分異構體。對于預測的分子結構，再次采用正向方法計算其物理性質，結果表明其分配系數為9.8，證明預測的分子結構基本滿足目標物性。
【1】J-OCTA分子動力學軟件 —— 通過對材料從原子級別到微米級別的模擬計算，從本質上理解元素組成和性能之間的關系。軟件可以滿足幾乎所有材料的分析，比如橡膠、塑料、薄膜、涂料及電解質材料等?？蓪⑵渥鳛椤?知識發現工具 ”進行靈活運用。
展開 塑膠材料篇：高分子的結構，影響著材料的諸多性能
高分子鏈的結構，其實影響著高分子塑膠材料很多性能，如強度、剛度、沖擊強度等物理性能，有些材料分子結構式非常相似，但性能卻各異，比如這三種材料：PE、PS、PVC。
本文為啥把它們三放在一起舉例介紹呢，主要是他們名字太相似了，咋一看，一字之差，實際上它們的性能差別很大，它們都為五大通用塑膠之一，產量大，價格便宜，廣泛應用于日常產品上。
PE，學名稱為“聚乙烯”，是指由乙烯單體經自由基加聚反應合成的聚合物。
PS，學名稱為“聚苯乙烯”，是指由苯乙烯單體經自由基加聚反應合成的聚合物。
PVC，學名稱為“聚氯乙烯”，是指由氯乙烯單體經自由基加聚反應合成的聚合物。
PE、PS和PVC的單體化學結構式如下，可以看出，結構式的主要區別是，PS中苯環取代了PE（聚乙烯）中的一個氫原子，而PVC中氯原子取代了PE（聚乙烯）中的一個氫原子。
所以也統稱聚乙烯類塑膠，其中把苯環、CI等稱為取代基（R），它們的聚合反應如下：
由于分子結構的不同，所表現出來的性能也會不同，從上面的結構式可以看出，PE的分子結構具有對稱性，而PS和PVC分子結構不對稱。
那么對稱或不對稱的分子鏈結構對聚合物的性能有什么影響呢？
一、首先，需要理解高分子鏈內旋轉
我們知道，原子之間通過共價鍵形成分子，而共價鍵又分為σ鍵和π鍵，至于什么叫σ鍵和π鍵，大家可以查找資料了解，這里就不展開講了，這里我們只需要了解它們的區別就行。
而C-C單鍵屬于σ鍵，其電子云分布具有軸對稱性，即這兩個C原子不管怎么繞軸旋轉，都不影響其電子云的分布，所以，高分子在運動時，鏈中C-C單鍵可以繞軸旋轉，稱為高分子鏈內旋轉。
展開 CADD蛋白結構分析、虛擬篩選、分子對接（蛋白-蛋白、蛋白-多肽）
時間
名稱
內容
第一天上午
生物分子互作基礎
1.生物分子相互作用研究方法
1.1蛋白-小分子、蛋白-蛋白相互作用原理
1.2 分子對接研究生物分子相互作用1.3 蛋白蛋白對接研究分子相互作用
蛋白數據庫
1. PDB 數據庫介紹
1.1 PDB蛋白數據庫功能
1.2 PDB蛋白數據可獲取資源
1.3 PDB蛋白數據庫對藥物研發的重要性
2.PDB 數據庫的使用
2.1 靶點蛋白結構類型、數據解讀及下載
2.2 靶點蛋白結構序列下載
2.3 靶點蛋白背景分析
2.4 相關數據資源獲取途徑
2.4 批量下載蛋白晶體結構
第一天下午
蛋白結構分析
1. Pymol 軟件介紹
1.1 軟件安裝及初始設置
1.2 基本知識介紹（如氫鍵等）2.Pymol 軟件使用
2.1蛋白小分子相互作用圖解
2.2 蛋白蛋白相互作用圖解
2.3 蛋白及小分子表面圖、靜電勢表示
2.4蛋白及小分子結構疊加及比對
2.5繪相互作用力
2.6 Pymol動畫制作實例講解與練習：
（1）尼洛替尼與靶點的相互作用，列出相互作用的氨基酸，并導出結合模式圖
（2）制作結合口袋表面圖
（3）Bcr/Abl靶點的PDB結構疊合（4）制作蛋白相互作用動畫
（5）針對ACE2和新冠病毒Spike的蛋白晶體復合物，制作蛋白-蛋白相互作用
第二天上午
同源建模
1. 同源建模原理介紹
1.1 同源建模的功能及使用場景
1.2 同源建模的方法
2.
展開 ：在3D打印水凝膠-高分子復合結構方面取得重要研究進展
水凝膠是一種含水量較高的聚合物網絡，通過將水凝膠與其他高分子材料快速鍵合形成水凝膠-高分子復合結構，可起到保護、增強水凝膠結構或引入新功能的作用，在生物醫療、柔性電子、軟體機器人等諸多領域有著巨大的應用價值。目前研究者主要將精力集中在水凝膠與硅膠間的復合，且結構多為簡單的層狀結構，極大地限制了其應用。雖然基于數字光處理的3D打印技術可對各種光敏水凝膠和高分子材料進行三維成型，但是水凝膠與其他高分子材料界面間的結合力較弱，如何在打印水凝膠-高分子復合結構的同時增強不同材料間的界面結合力仍然是一個難題。
近日，南方科技大學機械與能源工程系葛锜副教授課題組與浙江大學曲紹興教授課題組合作研究發現，利用改性水溶性光引發劑-2,4,6(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦（TPO）在引發丙烯酰胺水凝膠光聚合反應時的不完全性，使其能與包括彈性體、剛性聚合物、ABS類樹脂、形狀記憶高分子在內的不同（甲基）丙烯酸酯類樹脂形成共價界面，極大地提高了水凝膠-高分子材料的界面結合力。如圖1所示，利用該團隊自主開發的數字光處理技術多材料3D打印系統，可實現水凝膠-高分子高精度多材料復雜混合三維結構的快速一體化成型。通過三個應用案例，證明了所提出的新方法可以極大地豐富水凝膠-高分子結構與器件的設計自由度，并對其功能和性能實現進一步的提升。
圖1. 多材料3D打印水凝膠與其他高分子材料的復合三維結構
利用該多材料3D打印技術可實現多種水凝膠三維復合材料結構的快速一體化成型。通過剛度增強微結構設計，水凝膠復合材料的模量有幾十倍甚至幾百倍的提升，如圖2所示。
展開 
高分子“變形金剛”——拓撲結構可變的聚合物重新定義刺激響應型聚合物的未來
為了促進高分子學界對“拓撲結構可變高分子”（Architecture-Transformable Polymers）這類新型刺激響應型聚合物的思考，美國佛羅里達大學的Sumerlin教授團隊近期通過綜述的形式首次詳細地總結了該新興方向的研究進展。首先，他們根據合成方法學，系統地歸納了拓撲結構可變高分子的兩大分支：可逆共價鍵化學以及超分子化學（圖一）。前者將刺激響應型可逆共價鍵引入到高分子的支化點(即主鏈與支鏈的連接點)，并通過施加響應來打斷并重組支化點，從而實現聚合物拓撲結構的轉變。迄今為止，一系類刺激響應型共價鍵已經被成功應用于拓撲結構可變高分子的合成過程中（圖二）。這些非常 “聰明” 的高分子可以通過對熱，光，力等外界信號發生響應引發各式各樣高分子拓撲結構之間的相互變化。
圖一：拓撲結構可變高分子的兩種合成途徑。（a）可逆共價鍵化學；（b）超分子化學。圖片來源: Elsevier
圖二：拓撲結構可變高分子體系中的可逆共價化學，包括熱響應，光響應，氧化還原響應，以及力響應。圖片來源: Elsevier
Sumerlin團隊利用可逆共價化學方法，在拓撲結構可變高分子領域完成了很多先驅性的工作（Chem. Sci. 2014, 5, 4646–4655; Chem. Sci. 2017, 8, 1815–1821; Nat. Chem. 2017, 9, 817–823; Macromolecules, 2018, 51,356-363）。例如，該團隊在2017年設計了一系列基于Diels-Alder 共價鍵的拓撲結構可變高分子（圖三）。在這項研究中，他們將熱敏感的呋喃-馬來酰亞胺 （Furan-Maleimide）共價鍵鑲嵌在超支化聚合物的支化點或者線性嵌段共聚物的連接點上。
展開 基于CP2K的沸石吸附小分子的結構優化
部分輸入文件如圖3和圖4所示：
圖3 輸入文件中理論方法設置
圖4 輸入文件中色散校正設置
該體系優化40幾步就收斂了，優化后的結構如圖5所示?？梢钥吹?，優化后的結構和初始變化不太大，甲苯分子只發生了微小的移動，說明我們初始構建的結構還是比較合理的。
圖4 優化前后沸石-甲苯結構模型
結語
本案例通CP2K成功實現了沸石吸附甲苯小分子的結構優化。對于相關領域的研究人員和工程師來說，本案例提供了一個有力的工具，可以為解決實際問題提供理論依據和技術支持。
最后，如果您對于該案例感興趣，歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡，獲取完整的案例支持與個性化定制解決方案！
展開 Mater.》國納中心聶廣軍：治療癌癥的多功能生物分子納米結構
【科研摘要】
基于生物分子的納米結構具有固有的多功能性，并具有多種生物活性，可用于癌癥納米醫學?？梢跃_地編程生物分子的超分子特性，以設計智能藥物傳遞載體，從而在單個設計中實現體內有效傳遞，靶向藥物傳遞和組合療法。最近，
國家納米科學中心
聶廣軍教授
團隊在《
Nature Reviews Materials
》上發表了題為
Multifunctional biomolecule nanostructures for cancer therapy
的綜述。團隊討論了
基于生物分子的納米結構，包括多糖，核酸，肽和蛋白質
，并著重介紹了其為
多功能納米藥物設計
的巨大空間。確定了可以通過基于
生物分子的納米結構解決的癌癥納米醫學中的關鍵挑戰
，并調查了基于生物分子的納米結構的
獨特生物活性
，
可編程性和體內行為
。最后，也討論了基于生物分子的
納米結構的合理設計，表征和制造中的挑戰
，并確定了需要克服的障礙才能實現臨床翻譯。
【主圖導讀】
圖
1：抗腫瘤多功能納米藥物中的功能元素。
圖
2：用于癌癥治療的基于核酸的納米結構。
圖
3：基于肽的多功能納米結構的發展。
參考文獻
：
http://doi.org/10.1038/s41578-021-00315-x
版權聲明
：「
高分子材料科學
」公眾號旨在分享學習交流高分子聚合物材料學等領域的研究進展。上述僅代表作者個人觀點。如有侵權或引文不當請聯系作者修正。商業轉載或投稿請后臺聯系編輯。感謝各位關注！
【往期回顧】
《J. Mater. Chem.
展開 《JACS》成對和堆積雜環的水溶性超分子聚合物水凝膠：組裝、結構、性質和前 RNA 的可能途徑
Hud
教授
團隊
的研究揭示了一小組候選的祖先核堿基，它們自組裝成六聚體玫瑰花結，在水中堆積形成長的、扭曲的、剛性的超分子聚合物。這些結構表現出的特性為阻礙尋找益生元核酸合成的長期存在的問題提供了強有力的解決方案。
此外，他們通過實驗和計算方法的檢查提供了對控制特定類別的水溶性一維超分子聚合物的化學和物理原理的深入了解。除了有效的自組裝外，它們的長度和多分散性還受到各種帶正電的平面化合物的調節；
它們的組裝和拆卸控制在極窄的 pH 范圍內；它們表現出對稱性的自發破壞；在水凝膠形成過程中，通過非共價交聯出現同手性
。這些候選祖先核堿基中的一些自發地與核糖和其他糖類形成糖苷鍵，最重要的是，這些雜環的官能化形式在合理的益生元條件下形成超分子結構和共價聚合物。這個視角講述了一段發現之旅，它繼續為有關生命起源的問題提供有吸引力的答案，并揭示控制水溶性超分子聚合物結構和性質的原理。相關論文以題為
Water-Soluble Supramolecular Polymers of Paired and Stacked Heterocycles: Assembly, Structure, Properties, and a Possible Path to Pre-RNA
發表在《
J. Am. Chem. Soc.
》上。
主圖
圖
1.
(A) 由六個氫鍵單體形成的六聯體玫瑰花結的化學結構，以及這些六聯體堆疊形成超分子聚合物時的示意圖。(B) TAPAS 和氰尿酸 (Cy) 自組裝超分子聚合物的 AFM 地形圖像和 (C) TEM 顯微照片。(D) 圖中顯示并在文本中討論的氮雜環堿基及其衍生物的結構。
展開 木素分子結構對木素基碳纖維前驅體可紡性的研究
其原因可能是因為木素與PEO共混后制備紡絲液時PL與PEO的混合性更好，使得PL分子鏈與PEO分子鏈之間交織更加厲害，更有利于架橋作用的發生，從而可紡性好；由GPC可知PL分子量大于RL與CL，而木素基碳纖維是高分子聚合物，只有木素分子量大，才有足夠的碳原子形成碳骨架結構，且PL分布系數小，表明 L中小分子量木素含量少，故PL的紡絲性能要優于RL、CL；同時由C—NMR可知，P L中側鏈結構比較少，而木素形成碳纖維時，首先發生脫除支鏈結構，并重塑碳鏈，故PL更容易形成碳骨架結構。
3 結論
以不同木素為原料和PEO共混后，采用靜電紡絲方法能夠成功制備出碳纖維前驅體，且來自于木材原料的木素可紡性要優于草類原料木素。隨著P E O的使用量的加大，碳纖維前驅體串珠不斷減少，表面光滑度提高，當木素／PEO達到96：4之后，促進作用不再明顯增強。由GPC、IR、結合SEM分析可知，木素分子量大，制備碳纖維時能提供更多的碳原子形成骨架結構，木素結構中愈創木基與乙?；慷啵欣谀舅?em>分子與PEO分子的混合，故均對木素基碳纖維前驅體可紡性有提高，由 C-NMR可知，木素結構中支鏈的含量多會有利于碳纖維前驅體的形成。
（來源：《中華紙業》雜志）
展開 渦輪分子泵葉片的結構設計與分析
渦輪分子泵是一種精密高速旋轉機械，在設計過程中對主軸、轉子等關鍵件的設計作科學準確的計算、校核尤為重要。文章闡述了借助PRO/E、PRO/MECHANICA?軟件（試用版）對渦輪分子泵的渦輪葉片進行結構設計、有限元分析（應力分析及位移分析），大大提高了設計的準確率、增強了設計的可靠性及縮短了產品的研發周期。把CAD、CAE有效地應用于實際的產品結構設計中，將會對產品的研發起很大的作用。
<p?style="text-indent:2em;">
渦輪分子泵是一種精密高速旋轉機械系統，主要用來獲得高真空和超高真空。目前國內外飛速發展的半導體電子產業、半導體照明產業、平板顯示產業、太陽能電池產業、光學元器件產業、薄膜產業推動了分子泵的快速發展；與此同時，介于時代及行業的迫切要求，在分子泵的設計過程中，一種“短周期性、高可靠性”的設計理念應運而生，然而分子泵的設計本身就是一個相對比較復雜的過程，要實現“短周期性、高可靠性”的設計理念，單憑傳統的設計方法遠遠做不到，必須借助當今的主流CAD、CAE?軟件協作方可實現。
<p?style="text-indent:2em;">
PRO/MECHANICA是PTC公司開發的有限元分析軟件，該軟件與該公司的PRO/E完全無縫集成，即通過PRO/E構建的3D幾何模型，可以直接引入PRO/MECHANICA?里做結構或熱力學分析，而當3D幾何結構有變更時，PRO/MECHANICA里所建立的結構或熱力學分析經過簡單的“分析更新”即可方便讓分析結果隨著更新，完全做到無數據損失，這樣，PRO/MECHANICA就能讓結構設計師們將精力集中在設計工作上，在設計初期就能因為結合了分析，實時優化結構，而縮短整個設計周期，從而降低設計成本，這也是其他主流CAE?軟件無法比擬的優點。
<p?
展開 北京大學于海峰：液晶與高分子復合材料多層級微結構的構筑和光調控研究取得進展
液晶與高分子復合材料的多層級微相結構在納米模板、納米印刷和信息防偽等領域有著潛在應用前景，近年來受到研究者的廣泛關注。由于液晶基元具有“刺激響應”特性，因此將液晶作為功能基團引入到嵌段共聚物中，可以使大面積規整納米結構的制備與調控成為可能。但是，目前液晶與高分子復合材料的多層級微納結構的研究仍然面臨一些困難：一是隨著納米技術的發展，納米科學對結構更加復雜和精細的納米器件的需求也更加迫切，因此多層級的納米結構的構筑也成為近來的高分子復合材料領域的研究難點和研究熱點；二是實現室溫下能迅速、可逆、精確地對上述復雜納米結構的調控仍然面臨著挑戰。近日，北京大學工學院于海峰課題組對以上兩個問題提出相應的解決思路。
在前人工作的基礎上，該組將脲鍵引入到一種含有偶氮苯液晶基元的液晶嵌段共聚物中。在微相分離的過程中，脲鍵與該液晶嵌段共聚物的分散相和連續相均能形成氫鍵作用。這種超分子鍵與嵌段共聚物中各嵌段的相互抑制的共同作用下，影響了退火過程中分散相的組分從各向同性溫度冷卻到室溫時的結晶過程，從而得到了一個非晶區和結晶區共存的相疇。研究組在未進行任何摻雜的情況下，僅利用液晶與高分子本身的氫鍵作用，實現了尺寸在10 nm以下的層級納米結構的構筑（圖1）。這部分工作發表在了Macromolecular Rapid Communications上。
圖1.氫鍵誘導的液晶與高分子復合材料中多層級納米結構
另一方面，對于本身不能形成氫鍵的液晶與高分子復合物，摻雜是實現這種多層級納米結構簡單而可靠的策略。摻雜劑作為氫鍵的給體，液晶聚合物分子作為氫鍵的受體。一方面選用的摻雜劑的對嵌段共聚物的兩個組分都存在一定的作用，另一方面摻雜劑的手性也會借助氫鍵的傳導作用對液晶與高分子的組裝產生影響。由于手性摻雜劑與共聚物的分散相具有較好的相容性，因此會優先發生作用并誘導出螺旋的納米柱結構。
展開 
玻璃轉移溫度 Glass transition temperature
例如像PBT塑膠件在使用上常會遭遇一個問題，就是在約40℃ 溫度附近，材料強度上會有一個較大的變化，其原因就是PBT 塑膠材料的玻璃轉移溫度約在40℃左右，所以當環境溫度上升到40℃溫度附近，PBT 塑料的分子結構會有較大的自由度，將會使材料的細部分子結構發生變化?！?點擊看更多
未經同意，請勿轉載，謝謝!
基于COMSOL軟件的分子流模塊模擬一腔道內低溫吸附結構對單一組分稀薄氣體分子的的抽吸作用 ￥1000
本案例建立一二維軸對稱腔道結構，如圖1所示。結構內存在阻擋壁面結構、吸附面結構、包含一入口。吸附壁面溫度為4.5K，吸附系數為0.7，其他壁面結構的壁面溫度為80K。在入口受到3mPa的抽吸壓力下，計算得到腔體內的數密度分布云圖，如圖2所示。腔體內顆粒粒子追蹤He氣體分子的運動，如圖3所示。由圖可知，最終在吸附壁面上吸附了一定數量的氣體分子顆粒。
圖1 幾何模型
圖2 數密度分布
圖3 He氣體分子顆粒的運動分布
感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎合作交流
展開 東華大學史向陽教授課題組在核殼結構樹狀大分子用于腫瘤增強MR成像上取得新進展
各種納米平臺如脂質體、樹狀大分子、納米凝膠、膠束等已廣泛應用于基于EPR效應的癌癥成像和治療。
在眾多納米平臺體系中，樹狀大分子是一類高度支化的、三維立體結構的單分散大分子，具有從核心以迭代方式向外延伸的樹枝狀楔形物。樹狀大分子獨特的物理、化學和生物學特性為人類健康納米醫學的發展提供了重要手段。其中，聚酰胺-胺（Poly(amidoamine), PAMAM）樹狀大分子具有與蛋白質相似的結構，并且由于其具有良好水溶性、非免疫原性和易官能化等特點，已被廣泛應用于生物醫學研究領域。
一般而言，低代樹狀大分子更容易合成，但具有相對更高分子量和納米尺寸的高代樹狀大分子（G4或更高）卻顯示出更好的基因轉染效率、載藥量以及滲透能力。然而，樹狀大分子代數越高，合成步驟就越繁瑣，純化也相對困難，其價格也相對比較昂貴，從而限制了其有效的腫瘤治療和成像應用。為了克服單代樹狀大分子的局限性，研究者開發了以高代樹狀大分子為核、低代樹狀大分子為殼的核殼結構樹狀大分子（core-shell tecto dendrimers, CSTDs），不僅保持了與高代樹狀大分子相似的特性，而且合成簡單，操作方便。
在前期的研究中，史向陽教授團隊利用環糊精（CD）與金剛烷（Ad）的超分子主客體識別作用，以第五代（G5）PAMAM樹狀大分子為核、第三代（G3）PAMAM樹狀大分子為殼構建的G5-CD/Ad-G3 CSTDs可用于增強的基因傳遞（J. Mater. Chem. B 2017, 5, 8459），也可作為載體實現基因和藥物的共遞送達到癌細胞的增強的聯合治療（J. Mater. Chem. B 2020, 8, 2768）。
展開 全小分子非富勒烯有機太陽電池效率超過10%
n-OS小分子受體材料具有各向異性的共軛骨架的特點，因而優化p-OS的分子結構來調節全小分子活性層的形貌以形成良好的給體-受體納米尺度相分離的互穿網絡結構，是提高全小分子有機太陽電池光伏性能的重要手段。他們以BDT為中心給體單元、將寡聚噻吩結構引入p-OS分子結構中，合成了兩個p-OS分子SM1和SM2（分子結構見圖1）?；赟M1:IDIC的全小分子有機太陽電池的效率達到10.11%（Chem Mater. 2017,29,7543–7553.），這是全小分子非富勒烯有機太陽電池效率首次突破10%。
在基于噻吩取代BDT的二維共軛聚合物中，硅烷基側鏈可以有效地降低聚合物的HOMO能級，增強吸收和提高空穴遷移率。為了進一步提升全小分子有機太陽電池的光伏性能，他們最近又將硅烷基噻吩為側鏈的二維BDT單元引入到p-OS小分子給體材料中，合成了兩個新的p-OS小分子給體光伏材料H21和H22（分子結構見圖1），并研究了不同末端受體單元對材料物理化學性質及其光伏性能的影響?；贖22：IDIC的全小分子有機太陽電池的光電轉換效率進一步提升到10.29%。這一結果最近發表在《先進材料》（Adv.Mater.,2018,30, 1706361.）上。
展開 