浙大許震、高超團隊：以氧化石墨烯為例初繪二維大分子構象工程藍圖

什麼是構象式

原標題：浙大許震、高超團隊：以氧化石墨烯為例初繪二維大分子構象工程藍圖

近期，浙江大學許震、高超團隊應邀在《Accounts of Material Research》期刊上發表了題為“Conformation Engineering of Two-Dimensional Macromolecules： A Case Study with Graphene Oxide”的綜述。系統總結了團隊關於氧化石墨烯（GO） 2D大分子的單分子構象行為、液晶凝聚態以及宏觀材料的工作進展。以單層GO為實驗模型，總結了構象以及構象轉變的基本原理與規律，展望了構象精確設計與控制的發展方向；提出了一種新的構象工程方法學，為典型二維石墨烯的宏觀材料的“加工—結構—效能”提供了系統的思路，用以指導2D聚合物宏觀材料的結構精確設計與控制 （圖1）。浙江大學博士後姜炎秋和博士生王亞為共同第一作者，許震特聘研究員與高超教授為共同通訊。

圖1：2D大分子的構象工程方法學示意圖。

圖文導讀：

1。2D大分子構象

圖2：1D和2D大分子構象的類比（2D大分子構象以石墨烯和GO為例）。

圖 3：實驗觀察到的溶液中的GO構象。

圖 4：溶液中的GO構象圖。（A， B）構象轉變的路徑依賴性和可逆性；（C）對稱選擇性的構象轉變；（D） GO構象的能量圖。

2。2D大分子的凝聚態中間相

梳理了GO液晶的發展歷程，總結了迄今為止GO重要的液晶相態：向列、層狀及手性液晶（圖5A-B），解釋了不同相態形成機制，為液晶行為的理解提供了指南，同時也為2D大分子的新相態的探索指明瞭方向。

圖 5： GO LC的豐富相和弛豫動力學。GO LC的光學紋理（A）和示意圖結構（B）。

圖 6：剪下調製GO LC。

圖 7：（A）具有典型Bravais晶格的GO超液晶；（B）超液晶基元示意圖；（C）具有準晶晶格的GO超液晶。

3。宏觀材料的構象工程

圖 8： 石墨烯宏觀材料的構象工程。

4。結論與展望

儘管已經證明GO在溶液中展示了2D高分子的豐富構象，但是理論與實驗上還存在一些基本問題，例如理論熱皺縮轉變的驗證，構象的定量描述以及路徑依賴性和構象轉變的對稱選擇的一般機制。此外，如何透過時間和空間序列調整介面相互作用來設計2D高分子的構象是一個巨大的挑戰。同時，構象圖需要擴充套件到具有化學複雜性和變異構型的其他2D大分子。2D聚合物擴充套件了聚合物類別，並補充了聚合物科學的拓撲空間。探索1D和2D拓撲之間的通用性和差異性可能是下一個中心任務。一方面，構象標度定律可能決定1D和2D聚合物的分子行為。我們可以借用已建立的1D聚合物的理論框架來描繪2D聚合物的基本熱力學和動力學行為，例如溶解性、構象、相分離和流變學。另一方面，與1D拓撲相比，2D拓撲在其他方向上添加了更強的幾何限定，並降低了自由度。

我們可以預見，2D大分子中的對稱性破缺會帶來較慢的動力學響應、較弱的熵效應、更強的構象轉變的路徑依賴性、沒有纏結等。即將進行的研究可能會發現更多無法預料的問題。1D和2D聚合物之間的通用性和差異性都可以幫助我們建立一個統一的涵蓋分子拓撲結構的聚合物理論。已發現GO LC包括普通的向列相、層狀相、手性相和超液晶，為宏觀組裝有序結構的設計調控與製備鋪平道路。GO LC的動態行為正等待深入理解以擴充套件製備能力。在液固轉變中，還需要對構象演變進行清楚地研究以形成定量描述。人工LMC和SML還可以精確控制瞬態流體和永久固態中多級結構的空間分佈。構象工程方法學已被用於指導結構設計並極大地提高了石墨烯宏觀材料的整體效能。實現石墨烯材料的極限效能在很大程度上取決於對多尺度構象的精確控制。構象工程概念可以發展從分子構象到宏觀凝聚態結構的系統方法。這種方法不僅將突破石墨烯宏觀材料的顛覆性效能，還將為即將到來的2D大分子時代的基礎科學、工業加工、材料製備以及應用設計奠定基礎。