分子設(shè)計的案例
高效長壽命有機室溫磷光材料設(shè)計的分子描述符
由于純有機分子的旋軌耦合比較弱和三線態(tài)對溫度和氧氣高度敏感，長期以來有機材料被認(rèn)為是沒有磷光的。最近，有研究證明一些純有機化合物表現(xiàn)出高效的固態(tài)RTP，但其發(fā)光效率和壽命不可兼得。縱觀目前的純有機室溫磷光材料，有些是效率高但壽命短，有些是效率低但壽命長。為了解決這一難題，幾個課題組設(shè)計芳香類羰基化合物，期望利用混合的n/p基團來不同程度地調(diào)控磷光效率和壽命。但這種方案也是部分成功，部分失敗。所以，闡明有機RTP材料的發(fā)光機制，構(gòu)建普適的磷光分子設(shè)計規(guī)則是此領(lǐng)域面臨的一項巨大挑戰(zhàn)。
【成果簡介】
清華大學(xué)帥志剛教授和中科院化學(xué)所彭謙副研究員（共同通訊）等人提出了一對分子描述符來表征磷光效率和壽命。由羰基和π-共軛片段組成的典型RTP體系，其激發(fā)態(tài)可以視為n→π*躍遷（α）和π→π*躍遷（β）兩組分的組合，即α + β = 1。他們基于光致磷光的基本光物理過程，特別是單線態(tài)與三線態(tài)相互轉(zhuǎn)化所遵循的El-Sayed規(guī)則，引入了分子描述符γ和β，其數(shù)值的大小與分子單/三線態(tài)激發(fā)態(tài)的（n，π*）和（π，π*）躍遷成分有關(guān)。結(jié)合量子力學(xué)/分子力學(xué)（QM/MM）方法，他們揭示了分子描述符（γ，β）與磷光效率和壽命以及旋軌耦合之間的關(guān)系。他們提出，大的γ和β值有利于有機材料中強的、長壽命的RTP。這些分子設(shè)計原則，已被實驗所證實和報道。該研究發(fā)表于Journal of the American Chemical Society，題為“Efficient and Long-lived Room Temperature Organic Phosphorescence: Theoretical Descriptors for Molecular Designs”。
展開 蘇州大學(xué)崔超華教授系統(tǒng)評述：有機光伏材料的分子設(shè)計與器件性能研究
因此，發(fā)展合理的分子設(shè)計策略調(diào)制有機半導(dǎo)體材料的物理化學(xué)性質(zhì)進而制備高效有機光伏材料，是提升有機太陽能電池效率的關(guān)鍵。
基于以上背景，蘇州大學(xué)崔超華教授課題組應(yīng)邀系統(tǒng)評述了近年來有機光伏材料的研究進展。首先介紹了高效有機光伏材料的分子設(shè)計準(zhǔn)則，強調(diào)了有機光伏材料的創(chuàng)新發(fā)展對器件性能提升的重要意義；然后針對有機光伏材料的能級調(diào)制對提升器件開路電壓的重要性，系統(tǒng)介紹了烷硫基側(cè)鏈工程在調(diào)控能級、提升光伏性能的策略：通過烷硫基側(cè)鏈策略分別在給電子單元、缺電子單元及共軛π橋的應(yīng)用，有效調(diào)制能級，提升器件開路電壓及能量轉(zhuǎn)換效率；針對有機光伏器件活性層形貌調(diào)控的難點與挑戰(zhàn)，介紹了如何從光伏材料的分子設(shè)計層面有效調(diào)制分子的聚集態(tài)行為、優(yōu)化活性層形貌，提升器件光伏性能：聚合物給體材料的共軛側(cè)鏈策略、小分子給體材料的柔性側(cè)鏈策略以及三元共混策略調(diào)控共混膜形貌；最后，探討和展望了現(xiàn)階段有機太陽能電池研究過程中存在的科學(xué)問題及未來的發(fā)展方向。
上述工作以專論形式即將在《高分子學(xué)報》2021年第6期"高分子優(yōu)秀青年學(xué)者專輯"印刷出版。通訊作者為蘇州大學(xué)崔超華教授。
原文鏈接：
http://www.gfzxb.org/thesisDetails#10.11777/j.issn1000-3304.2021.21068
來源：高分子學(xué)報
相關(guān)進展
蘇州大學(xué)李永舫院士團隊崔超華副教授《Adv. Mater.》
展開 Rev.》綜述：基于蛋白質(zhì)生物材料的分子設(shè)計和人工生產(chǎn)
在每一節(jié)中都專注于一級和二級結(jié)構(gòu)級別的設(shè)計，并討論它們與機械響應(yīng)的相互作用（圖1）。
相關(guān)綜述論文以“Protein-Based Biological Materials: Molecular Design and Artificial Production”為題于2023年1月24日發(fā)表在《Chem. Rev.》上。
圖1 蛋白質(zhì)基生物材料的分子設(shè)計和人工生產(chǎn)
1. 細胞外蛋白質(zhì)的測序：歷史視角
在過去十年中，下一代測序(NGS)和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)及其相關(guān)生物信息學(xué)軟件的快速發(fā)展大大緩解了這些限制，提供了一系列加速發(fā)現(xiàn)的強大工具，尤其是在協(xié)同使用時。雖然這些先進的方法占據(jù)了蛋白質(zhì)發(fā)現(xiàn)的中心舞臺，但仍然需要傳統(tǒng)的生化和分子生物學(xué)方法來識別調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)材料最終功能的重要分子特征，例如PTM或交聯(lián)化學(xué)。一旦獲得這些信息，再加上對序列-特性關(guān)系的深入了解，就可以將其轉(zhuǎn)化為通過DNA重組技術(shù)人工制造基于蛋白質(zhì)的材料。
本節(jié)重點介紹了四種細胞外纖維和彈性蛋白材料，它們舉例說明了完全識別其端到端序列所需的廣泛時間線，即：(i)節(jié)肢彈性蛋白，(ii)彈性蛋白，(iii)絲素蛋白，和(iv)貽貝粘附蛋白（圖1）。
圖2 承載蛋白的時間軸
在21世紀(jì)初，下一代測序(NGS)方法是另一個技術(shù)飛躍，極大地促進了基因組和轉(zhuǎn)錄組的研究。在NGS技術(shù)中，RNA測序(RNA-seq)在加速仿生研究的分子發(fā)現(xiàn)方面產(chǎn)生了重大影響。
展開 哈佛大學(xué)鎖志剛教授最新綜述：從分子到宏觀，如何“設(shè)計”材料的抗裂性？
材料的缺陷敏感性
這個概念將微觀的分子損傷機制與宏觀的斷裂強度直接聯(lián)系起來，為通過分子設(shè)計（如調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、引入能量耗散機制）來調(diào)控材料對缺陷的容忍度指明了方向。那么，如何測量并獲取這個關(guān)鍵的材料本征長度參數(shù)？
從設(shè)計指南到工程數(shù)據(jù)：
測量的橋梁
03
PART
鎖志剛教授團隊的工作，為材料科學(xué)家描繪了壯麗的藍圖。而將其轉(zhuǎn)化為工程師可用的設(shè)計數(shù)據(jù)，則需要精準(zhǔn)可靠的實驗測量作為橋梁。
在E-rubber易瑞博科技，我們長期專注于橡膠及復(fù)合材料斷裂與疲勞行為的工程化測試與量化分析。我們的工作，正是致力于搭建這座從學(xué)術(shù)理論到工業(yè)應(yīng)用的橋梁。
01
量化“韌性”與“疲勞門檻值”
我們提供的 “最大撕裂能測試” ，直接對應(yīng)理論中的材料能量釋放率測量。通過該測試，可明確材料抵抗裂紋起裂與擴展的本征能力。這不僅是材料篩選的關(guān)鍵指標(biāo)，更是后續(xù)一切疲勞壽命預(yù)測的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
變速處理后最大撕裂能測試演示
02
解析循環(huán)載荷下的裂紋擴展行為
針對文中重點討論的疲勞裂紋問題，我們提供 “全松弛疲勞裂紋擴展測試” ，此測試可精確獲得材料的裂紋擴展速率（da/dN）與撕裂能的關(guān)系曲線，并識別出疲勞門檻值 Gth。對于以天然橡膠為代表的具有應(yīng)變結(jié)晶（SIC，strain-induced cystallization）效應(yīng)的高分子材料，我們提供”非全松弛疲勞裂紋擴展測試“，測試結(jié)果可以幫助工程師理解和表征材料的應(yīng)變結(jié)晶效應(yīng)對疲勞裂紋擴展的阻礙作用，對于比較和優(yōu)化材料的配方具有重要意義。
展開 
渦輪分子泵葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析
渦輪分子泵是一種精密高速旋轉(zhuǎn)機械，在設(shè)計過程中對主軸、轉(zhuǎn)子等關(guān)鍵件的設(shè)計作科學(xué)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)設(shè)計、有限元分析（應(yīng)力分析及位移分析），大大提高了設(shè)計的準(zhǔn)確率、增強了設(shè)計的可靠性及縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。把CAD、CAE有效地應(yīng)用于實際的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中，將會對產(chǎn)品的研發(fā)起很大的作用。
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渦輪分子泵是一種精密高速旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)，主要用來獲得高真空和超高真空。目前國內(nèi)外飛速發(fā)展的半導(dǎo)體電子產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)、平板顯示產(chǎn)業(yè)、太陽能電池產(chǎn)業(yè)、光學(xué)元器件產(chǎn)業(yè)、薄膜產(chǎn)業(yè)推動了分子泵的快速發(fā)展；與此同時，介于時代及行業(yè)的迫切要求，在分子泵的設(shè)計過程中，一種“短周期性、高可靠性”的設(shè)計理念應(yīng)運而生，然而分子泵的設(shè)計本身就是一個相對比較復(fù)雜的過程，要實現(xiàn)“短周期性、高可靠性”的設(shè)計理念，單憑傳統(tǒng)的設(shè)計方法遠遠做不到，必須借助當(dāng)今的主流CAD、CAE?軟件協(xié)作方可實現(xiàn)。
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PRO/MECHANICA是PTC公司開發(fā)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(gòu)建的3D幾何模型，可以直接引入PRO/MECHANICA?里做結(jié)構(gòu)或熱力學(xué)分析，而當(dāng)3D幾何結(jié)構(gòu)有變更時，PRO/MECHANICA里所建立的結(jié)構(gòu)或熱力學(xué)分析經(jīng)過簡單的“分析更新”即可方便讓分析結(jié)果隨著更新，完全做到無數(shù)據(jù)損失，這樣，PRO/MECHANICA就能讓結(jié)構(gòu)設(shè)計師們將精力集中在設(shè)計工作上，在設(shè)計初期就能因為結(jié)合了分析，實時優(yōu)化結(jié)構(gòu)，而縮短整個設(shè)計周期，從而降低設(shè)計成本，這也是其他主流CAE?軟件無法比擬的優(yōu)點。
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展開 超越PROTAC——基于功能效應(yīng)物的異功能分子設(shè)計
多特異性分子，是一類通過誘導(dǎo)兩個或更多的蛋白質(zhì)分子相互靠近，以提高治療潛力的藥物。自2001年，異功能分子以來吸引了越來越多的關(guān)注（圖1）。在這些異功能分子中，PROTACs就是其中最成功的的代表.
盡管PROTACs為小分子藥物設(shè)計開辟了一條新的途徑，但它們并不適用于所有的蛋白質(zhì)類別。此外，PROTACs的效果取決于特定的E3連接酶亞基，因此受到E3表達的影響，這限制了它們在特定細胞類型的應(yīng)用。因此，迫切需要開發(fā)更多招募其他效應(yīng)物的異功能分子，以補充PROTACs的不足之處。
圖1. 用于藥物發(fā)現(xiàn)的異功能分子的演變的時間軸。
（圖片來源：J. Med. Chem.）
日前，Wang等發(fā)表于J. Med. Chem.評論性文章概述了一些成功開發(fā)的異功能分子和工作流程，并著重介紹了了目前的設(shè)計策略、優(yōu)勢及待解決的問題。
除了UPS，自噬機制、內(nèi)體/溶酶體、磷酸化途徑和核糖核酸酶（RNase）L也被發(fā)現(xiàn)可以降解靶蛋白或調(diào)節(jié)翻譯后修飾（PTMs），使這些細胞系統(tǒng)的組成部分成為設(shè)計異功能分子的潛在效應(yīng)器。
圖2. 基于內(nèi)源性效應(yīng)物誘導(dǎo)降解或不同PTM效應(yīng)的雙功能分子的機制。
（圖片來源：J. Med. Chem.）
1. 溶酶體募集的異功能分子——LYTACs
除了蛋白酶體，內(nèi)體/溶酶體途徑也是一個重要的蛋白質(zhì)降解平臺（圖3A）。與泛素介導(dǎo)的蛋白體降解相比，內(nèi)體/溶酶體途徑作用于更廣泛的底物。在自然溶酶體降解機制的基礎(chǔ)上，LYTACs是通過將LTR配體與POI結(jié)合分子相連而設(shè)計的（圖3B）。理想情況下，LYTACs可以通過將POI與LTR橋接來發(fā)揮溶酶體作用，誘導(dǎo)溶酶體介導(dǎo)的降解（圖3C）。
展開 SCIGRESS--分子動力學(xué)及多功能分子設(shè)計模擬軟件包
SCIGRESS 先進的分子建模和可視化功能使得研究者可以方便的導(dǎo)入多種實驗方法所得的分子結(jié)構(gòu)，也可以輕松的建立一個新的結(jié)構(gòu)。除了豐富的建模工具外， SCIGRESS也提供了強大的計算引擎和全面的分析工具。
分子動力學(xué)計算引擎Materials Explorer是由日本FUJITSU公司開發(fā)的一種高效的商業(yè)化的多用途分子動力學(xué)軟件包。Materials Explorer功能非常強大，有63個力場供選擇，可以用來研究有機物、高聚物、生物大分子、金屬、陶瓷材料、半導(dǎo)體等晶體、非晶體、溶液、流體、液體 和氣體的相變、膨脹、壓縮系數(shù)、抗張強度、粘度、熱導(dǎo)率、缺陷等。小分子藥物與生物大分子的對接以及小分子藥物的構(gòu)效關(guān)系一直是計算機輔助藥物設(shè)計中兩項 非常重要的內(nèi)容。Scigress繼承了CAChe的功能，提供了這兩項計算功能。此外，Scigress還包括了使用廣泛的半經(jīng)驗量化計算模塊。通過 Scigress，研究者可以完成掃描分子勢能面，確定化學(xué)反應(yīng)機理，尋找反應(yīng)過渡態(tài)，分析紅外紫外光譜，明確分子軌道中的電子躍遷，常規(guī)分子動力學(xué)模 擬，計算眾多材料體系的力學(xué)與熱力學(xué)性質(zhì)，模擬晶體的外延生長與表面吸附的動態(tài)行為，預(yù)測小分子在多孔材料中的分布情況，列舉分子的低能構(gòu)象，建立藥物分 子的構(gòu)效關(guān)系模型，完成小分子藥物與生物靶標(biāo)的對接等多種科研任務(wù)。
SCIGRESS 實現(xiàn)了Client-Server 構(gòu)架。研究者可以簡便的利用位于Microsoft Windows 平臺下的界面進行建模和結(jié)果分析，把大量的計算任務(wù)分配到服務(wù)器或計算集群中進行。這樣就使得研究者可以對更大的體系進行更精確的模擬計算。
展開 藥物設(shè)計中的分子動力學(xué)
分子動力學(xué)（MD）模擬是基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計的有用工具。一些情況下，在對接之前已經(jīng)進行了蛋白質(zhì)靶標(biāo)的MD模擬以產(chǎn)生與晶體結(jié)構(gòu)不同的可用蛋白質(zhì)構(gòu)象異構(gòu)體。此外，在對接后進行MD模擬，評估命中化合物的預(yù)測結(jié)合模式作為最終在計算中和引導(dǎo)化學(xué)合成用于命中優(yōu)化的過濾器。
1.MD作為分子片段映射到結(jié)合位點的工具
研究人員提出了MD作為工具分析蛋白質(zhì)與小分子的結(jié)合自由能表面和結(jié)合途徑。由于可用的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合親和力的測量，研究人員將MD應(yīng)用于FKBP的肽基脯氨酰順反異構(gòu)酶和六個配體之間的非氫原子。研究人員通過色氨酸熒光猝滅測定法測得FKBP的親和力在高μM至低mM范圍內(nèi)。對于每個配體產(chǎn)生了結(jié)合過程的構(gòu)象空間網(wǎng)絡(luò)。
第一步中，沿著多個軌跡保存的相對位置和方向根據(jù)一組分子間距離進行聚類。集群被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，并且在MD模擬期間觀察到這些集群之間的直接轉(zhuǎn)換是網(wǎng)絡(luò)的鏈路。有趣的是，網(wǎng)絡(luò)分析揭示了以不同的分子間氫鍵和疏水接觸為特征的多種結(jié)合模式。此外，解離動力學(xué)顯示單指數(shù)時間依賴性，這表明完全解離的屏障顯著高于不同結(jié)合模式之間的屏障。
比較實驗和模擬方法是有啟發(fā)性的，用于分析片段與蛋白質(zhì)結(jié)合的上述生物物理技術(shù)在時間和空間分辨率方面具有局限性。相比之下，MD模擬在原子細節(jié)水平上產(chǎn)生了自由能表面和結(jié)合途徑的完整圖像。
2.通過MD選擇構(gòu)象異構(gòu)體
蛋白質(zhì)靶標(biāo)的晶體結(jié)構(gòu)表示折疊狀態(tài)下的許多狀態(tài)之一。大多數(shù)情況下，折疊狀態(tài)的整體拓?fù)湓谄渥訝顟B(tài)中是保守的，但是在結(jié)合位點中甚至單個側(cè)鏈的不同方向可以顯著影響對接結(jié)果。
McCammon小組開發(fā)了一種方案來解決對接中的蛋白質(zhì)柔性：首先，對載脂蛋白的MD模擬進行廣泛構(gòu)象空間采樣。第二階段涉及到一個大型MD系綜幀的對接。
展開 分子生物學(xué)實驗室設(shè)計方案
分子生物學(xué)實驗室廣泛應(yīng)用于大專院校教學(xué)、科研機構(gòu)以及醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)的科學(xué)研究。在進行植物組織培養(yǎng)之前，需要全面了解所需的基本設(shè)備條件，以便靈活利用現(xiàn)有房屋或者進行新建、改建實驗室。實驗室的規(guī)模應(yīng)根據(jù)工作目的和規(guī)模確定，避免規(guī)模太小影響效率，尤其是對于工廠化生產(chǎn)的目標(biāo)而言。分子生物學(xué)實驗室的設(shè)計和規(guī)劃必須科學(xué)合理。中壹聯(lián)實驗室裝修公司小編將詳細闡述分子生物學(xué)實驗室設(shè)計的原則、各功能區(qū)布局及設(shè)備配置。
一、分子生物學(xué)實驗室設(shè)計原則
1.無菌操作保障：植物組織培養(yǎng)及大多數(shù)分子生物學(xué)實驗需要在嚴(yán)格的無菌條件下進行。實驗室設(shè)計的首要原則是確保無菌操作，從而防止污染。無菌操作不僅包括設(shè)備和器材的無菌，還涉及到操作環(huán)境的潔凈度。因此，在分子生物學(xué)實驗室設(shè)計時各區(qū)域的壓力控制和氣流組織形式必須科學(xué)合理，以防止交叉污染和氣溶膠傳播。
2.提高工作便利性：對分子生物學(xué)實驗室設(shè)計中實驗室布局要最大限度地提高工作的便利性和效率。合理的對空間進行利用和設(shè)備安排能減少實驗操作中的時間浪費和工作混亂，提高實驗的成功率和重復(fù)性。
3.資源節(jié)約與環(huán)境控制：植物組織培養(yǎng)需要人工控制溫度、光照、濕度等培養(yǎng)條件。在分子生物學(xué)實驗室建設(shè)時就應(yīng)該要充分考慮到實驗室的節(jié)能環(huán)保，確保設(shè)備高效運作的同時，節(jié)省能源和資源。
二、分子生物學(xué)實驗室功能區(qū)布局
分子生物學(xué)實驗室由可以分為化學(xué)實驗室（準(zhǔn)備室）、洗滌滅菌室、無菌操作室（接種室）、培養(yǎng)室、細胞學(xué)實驗室以及PCR實驗室等多個功能區(qū)。以下中壹聯(lián)實驗室裝修公司小編將詳細介紹每個功能區(qū)的具體設(shè)計和設(shè)備配置。
1.化學(xué)實驗室（準(zhǔn)備室）
化學(xué)實驗室主要負(fù)責(zé)藥品的貯備、稱量、溶解、配制和培養(yǎng)基的分裝等工作。
展開 吉林大學(xué)楊英威教授課題組：新型大環(huán)芳烴受體的設(shè)計合成及其功能超分子材料的構(gòu)筑與應(yīng)用研究
新型超分子大環(huán)受體的設(shè)計與合成是推動超分子化學(xué)與材料研究領(lǐng)域蓬勃發(fā)展并使其走向應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，同時也是有機超分子化學(xué)和大環(huán)化學(xué)領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)的研究熱點之一。近幾年來，吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院、納微構(gòu)筑化學(xué)國際合作聯(lián)合實驗室楊英威教授課題組在新型大環(huán)芳烴受體的設(shè)計合成及其超分子材料構(gòu)筑與功能開發(fā)等方面取得了系列研究進展：
（1）設(shè)計與合成了系列具有大尺寸空腔和優(yōu)異固相主客體化學(xué)性質(zhì)的聯(lián)苯拓展型柱芳烴(圖1a)，并進一步利用胸腺嘧啶功能化的聯(lián)苯拓展型柱[6]芳烴衍生物構(gòu)筑了一類新型熒光超分子組裝體系，同時借助超分子組裝誘導(dǎo)發(fā)光機制實現(xiàn)了對水中汞離子的高靈敏度、高選擇性以及低檢測限的熒光傳感檢測和快速吸附去除（Chem. Commun., 2016, 52, 5804; J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 4756; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 8967）；
(2) 設(shè)計
與合成了首例“去對稱性的”柱[6]芳烴衍生物，即“斜塔[6]芳烴” (圖1b)，并通過構(gòu)筑斜塔[6]芳烴的超分子晶體吸附材料，即斜塔芳烴非多孔自適應(yīng)晶體，實現(xiàn)了對溴代烷烴位置異構(gòu)體以及C6烷烴同分異構(gòu)體的高選擇性吸附分離（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 9853; Angew. Chem. Int.
展開 基于分子前驅(qū)體的三維類石墨烯多孔碳納米片設(shè)計及超級電容器應(yīng)用
目前，具有良好形貌和多孔結(jié)構(gòu)的多孔碳電極材料的設(shè)計與合成已成為高性能超級電容器發(fā)展的重要課題之一。在各種多孔碳材料中，三維（3-D）石墨烯類多孔碳納米板（GPCNs）最近被證明是一種先進的碳材料。三維GPCNs由于其具有高度的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電性和良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可以為高性能超級電容器電極的設(shè)計提供良好的應(yīng)用條件。另一方面，三維石墨烯類碳網(wǎng)絡(luò)的分層多孔結(jié)構(gòu)由于其快速的傳質(zhì)和高效的離子吸附，可以產(chǎn)生顯著地電雙層電容。多年來，在電化學(xué)儲能領(lǐng)域中，多種碳質(zhì)前驅(qū)體被選為通用三維GPCNs的設(shè)計和合成。其中生物量前體和分子前體是重要的兩大類。然而，由分子前體衍生的三維GPCNs仍面臨著合成過程復(fù)雜、生產(chǎn)成本高、厚度不均勻、比表面積小等巨大挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)一種簡單有效的制備具有超薄納米結(jié)構(gòu)（＜10nm）和高比表面積（＞2000m2g-1）的高性能三維GPCNs的技術(shù)迫在眉睫。
【成果簡介】
廣東石油化工學(xué)院的李澤勝(通訊)等人報道了一種方便、高效的一鍋KOH活化技術(shù)（采用低成本的石油焦埋保護法）利用廣泛使用的表面活性劑（Tween-20）作為碳源（即分子前體），合成了新型三維石墨烯類碳納米薄片（即三維GPCNs）網(wǎng)絡(luò)。合成的材料具有良好的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和分層多孔結(jié)構(gòu)（比表面積2017.3m2g-1），且具有典型的8.5nm厚度的納米片，以及大量的微孔結(jié)構(gòu)（＜2nm）和部分介孔結(jié)構(gòu)（2-3nm）。作為一種很有前途的超級電容器電極，其比電容高達316.8Fg-1，在電流密度為1Ag-1 的情況下進行循環(huán)穩(wěn)定性測試，結(jié)果表明制備的電極在1molL-1KOH水溶液中具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性（2000次循環(huán)后保持率為92.5%）。在GPCNs材料的分級多孔產(chǎn)物中，微孔比例高達62%中孔和大孔的比例分別只有23%和15%。
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北京大學(xué)呂華課題組：蛋白質(zhì)-高分子偶聯(lián)物的精準(zhǔn)設(shè)計--聚氨基酸化干擾素聯(lián)合阿霉素用于腫瘤協(xié)同治療
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北科大張少青和中科院化學(xué)所侯劍輝NSR：低成本、高光伏性能的聚噻吩乙烯衍生物
在這項研究中，研究者通過簡單且有效的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，對經(jīng)典共軛高分子聚噻吩乙烯的多種光電特性及聚集態(tài)結(jié)構(gòu)進行了協(xié)同優(yōu)化，制備出高性能的聚噻吩乙烯衍生物PTVT-T，以該聚合物為給體材料，實現(xiàn)了16.2%的光伏效率。
分子設(shè)計的關(guān)鍵點是：在聚合物重復(fù)鏈段中引入對稱的雙酯基，實現(xiàn)了對其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和分子能級的協(xié)同調(diào)制。
在PTVT-T的重復(fù)單元中，兩個對稱的酯基取代基使高分子具有更加穩(wěn)定的平面鏈構(gòu)象，從而誘導(dǎo)產(chǎn)生顯著的“溶液態(tài)聚集效應(yīng)”；該特征使高分子給體易于與受體材料形成納米尺度相分離形貌。“低HOMO能級”是新型高性能高分子給體材料的另一共同特征之一，該特征使相應(yīng)的光伏電池易于產(chǎn)出較高的輸出電壓。PTVT-T中的雙酯基體現(xiàn)了良好的拉電子特性，使聚合物的HOMO能級降低至-5.28 eV。
(a) 通過引入對稱酯基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定主鏈構(gòu)象；(b) PTVT-T的溶液態(tài)聚集效應(yīng)及其固態(tài)薄膜表面微觀形貌；(c) PTVT-T呈現(xiàn)強π-π聚集結(jié)構(gòu)；(d) 由聚噻吩乙烯類（PTV）材料實現(xiàn)的光伏效率發(fā)展曲線。
PTVT-T的突出優(yōu)點包括：分子結(jié)構(gòu)與合成方法簡單、成本低；與三種典型的受體材料均表現(xiàn)出良好的匹配性；相應(yīng)的光伏電池兼具高效率和良好的穩(wěn)定性。
PTVT-T中不含其它高效率聚合物給體中常見的F取代基，合成步驟及原料成本大幅低于其它高效率聚合物給體材料。與受體eC9共混可以獲得16.20%的光伏效率；與受體IT-4F或PCBM共混也可以分別獲得11.28%和7.25%的光伏效率；相應(yīng)的光伏電池在模擬太陽光下工作500小時，效率保持率超過80%。
文章認(rèn)為，通過合理的分子設(shè)計方法，具有簡單化學(xué)結(jié)構(gòu)的共軛高分子，尤其是領(lǐng)域研究初期發(fā)展的經(jīng)典高分子材料，將在高效率、低成本的有機光伏電池中體現(xiàn)重要的價值。
展開 Sci.》綜述:層狀高分子刷設(shè)計及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究新進展
近日，中科院長春應(yīng)化所殷敬華研究員、欒世方研究員課題組與內(nèi)蒙古大學(xué)董阿力德爾圖教授合作，基于該課題組在醫(yī)用層狀高分子刷及相關(guān)領(lǐng)域中的前期研究積累（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6: 1971; Biomacromolecules, 2016, 17: 1696; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8: 24471; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9: 40930; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12: 425761），總結(jié)了近年來層狀高分子刷的最新研究進展，尤其在層狀高分子刷體系的創(chuàng)新設(shè)計、功能拓展、性能優(yōu)化及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面進行了系統(tǒng)綜述與展望。
圖1. 層狀高分子刷的典型結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢
高分子刷接枝是一類重要的表面改性技術(shù)。其中層狀高分子刷將不同性質(zhì)接枝鏈段分布在不同空間層中，是一類具有層次化結(jié)構(gòu)特征的獨特高分子刷體系。該綜述系統(tǒng)地比較了構(gòu)建層狀高分子刷的可控活性聚合技術(shù)，評述了典型的雙層結(jié)構(gòu)及其表征方法。層狀高分子刷呈現(xiàn)的精細結(jié)構(gòu)及獨特的性能，可實現(xiàn)多功能的集成和協(xié)同、性能的提升以及刺激響應(yīng)轉(zhuǎn)變等特點，在抗菌、生物傳感、再生醫(yī)學(xué)、腫瘤診斷和治療等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了重要應(yīng)用。
圖2. 層狀高分子刷表面在生物醫(yī)用領(lǐng)域應(yīng)用
為了快速拓展層狀高分子刷在生物醫(yī)用領(lǐng)域應(yīng)用，該綜述最后強調(diào)應(yīng)加強如下四個方面的研究工作。
展開 引述中科院劉維民院士團隊《Chemical Reviews》綜述：力學(xué)“協(xié)同方法學(xué)”如何指導(dǎo)光學(xué)膠研發(fā)
在光學(xué)膠的研發(fā)中，我們常常面臨一個核心矛盾：通過精妙的分子設(shè)計與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，材料在理論上擁有了優(yōu)異的性能，但它在實際工況下的長期表現(xiàn)——能承受多少次彎折？在持續(xù)應(yīng)力下會否失效？——卻往往因缺乏關(guān)鍵的連接數(shù)據(jù)而難以回答。
正如劉維民院士團隊在《Chemical Reviews》關(guān)于“聚合物凝膠力學(xué)調(diào)控”的重磅綜述中所指出的，前沿的解決思路是 “協(xié)同方法學(xué)”（synergistic methodology）——即協(xié)同運用分子工程與結(jié)構(gòu)工程策略，以達成強度、韌性、彈性、疲勞等多重力學(xué)屬性的最佳權(quán)衡。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.3c00498。
展示聚合物凝膠力學(xué)調(diào)控的普適力學(xué)機制以及分子工程和結(jié)構(gòu)工程調(diào)控策略
理論上的“協(xié)同”
需要數(shù)據(jù)的“驗證”
該綜述詳盡闡釋了實現(xiàn)力學(xué)調(diào)控的兩大路徑，而這正對應(yīng)著我們在材料測試中需要驗證的核心：
01
分子工程的驗證挑戰(zhàn)
通過引入多種非共價相互作用（如氫鍵、離子鍵、主客體作用），或調(diào)控交聯(lián)劑效應(yīng)與鏈纏結(jié)密度，可以在分子尺度構(gòu)建高效的能耗散機制。但關(guān)鍵在于：這些設(shè)計的“理論韌性”能否轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品在百萬次循環(huán)載荷下的“實際耐疲勞性”？
02
結(jié)構(gòu)工程的驗證挑戰(zhàn)
通過溶劑相調(diào)控、構(gòu)建機械互鎖網(wǎng)絡(luò)或異質(zhì)模量組分等宏觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)裂紋偏轉(zhuǎn)、應(yīng)力分散等效果。但核心問題是：這些精心設(shè)計的結(jié)構(gòu)，其失效的起點和路徑究竟是怎樣的？如何量化其抗裂紋擴展的能力？
展示通過協(xié)同方法學(xué)設(shè)計具有不相容性能的兼容性凝膠
跨越鴻溝：
連接微觀設(shè)計與宏觀失效的關(guān)鍵測試
要回答上述從該綜述中引申出的具體問題，僅依靠傳統(tǒng)的性能測試已顯不足。
展開 分子設(shè)計的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
分子設(shè)計分子勢能分子取向超分子分子動力學(xué) 分子模擬 lammps單分子膜 優(yōu)化設(shè)計EDA設(shè)計工業(yè)設(shè)計機械設(shè)計高分子材料高分子材料成型 分子結(jié)構(gòu)設(shè)計分子模擬與藥物輔助設(shè)計有限元與力學(xué)優(yōu)化設(shè)計高分子材料成型creo機械設(shè)計高分子材料成型制造工藝綜合汽車制造有限元與力學(xué)優(yōu)化設(shè)計高分子材料成型有限元與力學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)工程流體仿真工業(yè)設(shè)計高分子材料成型軌交工程應(yīng)用
