自組裝科學研究的核心目的是通過非共價鍵將預設計的組裝基元自發地組裝成有序的超分子結構或者納米結構，創造具有特殊功能的新材料。在這個核心目的驅動下，自組裝科學研究取得了一系列的重大進展。兩親分子（Amphiphiles）是最重要的組裝基元之一，其組裝原理是構筑功能新材料的重要戰略。目前的挑戰包括創造非脂質和非嵌段共聚物的新構筑基元，以及組裝特殊功能的新材料。
團簇（Clusters）是結構明確的分子。因為它們的大小通常介于原子和納米粒子之間，也稱為納米團簇（Nanoclusters）。由于團簇的結構和組成的多樣性而賦予它們特殊的性質和功能，而且，這些性質和功能與原子和納米晶(或固體)的性質和功能有明顯的差異。因此，納米團簇是創造具有先進功能的新型材料的理想基元。雖然團簇結晶是制備團簇材料最簡單、最有效的方法，但是，將異質團簇組裝成有序結構的團簇材料仍是挑戰性的課題。
在過去幾年里南開大學王維教授課題組，受兩親分子自組裝原理的啟發，被納米團簇功能所吸引，獨辟蹊徑，原創性地設計并合成了異質團簇兩親分子（Heterocluster Janus Molecules，HCJMs），構筑了脂質已經和尚未組裝形成的納米結構，為創造異質團簇材料開辟了新的途徑【1-7】。
圖1. 啞鈴形的HCJMs。設計并合成這些分子的目的是研究OL的長度、剛柔性和對稱性等因素對自組裝結構的影響。
在研究工作中，王維教授課題組選擇多金屬氧酸鹽團簇（Polyoxometalates，POM）與籠型倍半硅氧烷團簇（Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes，POSS）來設計異質團簇兩親分子，并合成了一系列結構為POM-OL-POSS組裝基元，其中OL為有機連接鏈（圖1）。課題組工作中選用的POM復合物的分子式為(Bu4N)6H3(P2W15V3O62)，分子量為5422.2。復合物的陰離子核接近橢圓，長軸約為1.2 nm，短軸約為1.0 nm。復合物間的相互作用是(Bu4N+)操控的靜電作用。復合物能夠溶解在強極性的溶劑里，比如丙酮等。POSS簇具有一個有硅氧烷(O-Si-O) 形成的、直徑約為0.5 nm的立方核。八個異丁基功能化的POSS直徑約為1.3 nm，分子量為873.6。異丁基功能化的POSS間的作用力是van der Waals力，因而它們能夠溶解在弱極性的有機溶劑中，比如正癸烷等。通過共價鍵將它們連接在一起，形成POM-OL-POSS分子。選用了不同的有機連接鏈，合成了一系列的POM-OL-POSS分子（圖1），其優點如下：1. 啞鈴形的POM-OL-POSS具有原子精確的分子量和可計算的分子堆積參數（圖2）；2. POM和POSS溶解性的差異賦予POM-OL-POSS兩親特性，因此，在選擇性溶劑中，能組裝成多種多樣的組裝體；3. POM-OL-POSS的分子長度約為3到5納米，與脂質的長度相當，組裝體的結構也相同，獲得的結果有益于了解兩親分子的組裝結構與過程；4. 強的POM間的反離子操控的靜電作用能夠幫助穩定形成的組裝結構。在溶液中組裝形成穩定的結構，無需特殊處理就可直接進行TEM等表征；5. 由于POM含有十五個鎢原子，在TEM下觀察時，無需染色處理；6. 在 TEM 中觀察到單顆的 POM，可深入了解 POM 的排列規律。
圖2. POM-OL-POSS的結構（A）、高分辨率質譜（B）和計算分子堆積參數定義幾何參數（C）。
在最近發表的工作，王維教授課題組選用幾個POM-OL-POSS分子，配置成丙酮溶液，然后加入正癸烷。在體積比丙酮/正癸烷 = 6/4時，溶液依然澄清，無Tyndall現象。由于丙酮的揮發系數約為正癸烷的80倍，當瓶口打開后，丙酮逐漸揮發，導致溶劑逐漸轉變為親POSS的溶液，POM-OL-POSS分子隨之發生組裝【7】。
SEM表征顯示，組裝體為平均直徑為800納米的粒子（圖3A），粒子的形狀為截角八面體（圖3B）。用TEM發現粒子中存在著有序排列的結構（圖3C）。SAXS表征說明結構為具有Pn3m對稱的D-surface雙連續液晶相結構（圖3D）。圖3E示意這種結構的晶胞特征，即由紅色和藍色的管表示兩個互不相同的鉆石管道構筑而成。至此，證明了組裝形成從粒子是一種包含Pn3m對稱的D-surface雙連續液晶相結構的立方相囊泡（Cubosomes）。
圖3. （A）組裝形成的亞微米粒子的SEM照片。（B）粒子的形狀為截角八面體。（C）TEM顯示粒子里的精細結構。（D）SAXS圖說明結構具有Pn3m對稱的D-surface雙連續液晶相結構。（E）一個雙連續液晶相結構的晶胞，紅色和藍色的管表示兩個互不相通的鉆石結構管道。（F）包含這種雙連續液晶相結構的立方相囊泡。經許可復制。Copyright 2019 American Chemical Society.
圖4.（A）通過將雙連續液晶相結構的立方相囊泡旋轉0、35和54°獲得的雙鉆石結構的HAADF-STEM圖像。（B）對應的FFT圖，其中標注了對應的Miller指數。（C）FFT過濾后對應照片的特寫圖像。亮區域是POM豐富的，而暗區域是POSS豐富的。（D）從雙鉆石結構的數學模型獲得的在[111]、[110]和[100]方向上結構。（E）模擬投影對應于D中的結構。經許可復制。Copyright 2019 American Chemical Society
在TEM觀察中，常常發現對同一個樣品表征時，獲得TEM照片顯示“不一致的”有序結構。為此，王維教授課題組與德國Karlsruhe Institute of Technology的Christian Kübel博士和Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik的Michael Godehardt先生合作，采用高角圓形暗場-掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）三維表征立方相囊泡，并三維重構內部的立方相結構，最后采用Pn3m對稱的D-surface雙連續液晶相結構的數學模型，繪制了立方相囊泡的三維結構，并用通過數學模擬，證實當將一個立方相囊泡旋轉到0、35和54°拍攝的照片是該立方相囊泡在立方相的[111]、[110]和[100]方向的結構（圖4）。
圖5. （A）TEM照片顯示在生長條件下自組裝聚集體從囊泡到立方相囊泡的演變。（A-1至A-7）囊泡、半融合的囊泡、具有泡沫狀結構的顆粒、具有海綿狀納米結構的聚集體、聚集體中心的有序納米結構（由黃色圓圈突出顯示），球形立方相囊泡和刻面的立方相囊泡。（B）通過不同機制完成從分子到刻面立方體的演變。經許可復制。Copyright 2019 American Chemical Society
由于TEM可直接表征HCJM分子形成的穩定自組裝聚集體，跟蹤觀察說明了自組裝聚集體的演變過程：囊泡形成、囊泡聚集、海綿結構聚集體形成、海綿結構聚集體中心形成有序結構、球形立方相囊泡形成和刻面的立方相囊泡形成（圖5A），從而揭示了從分子到刻面立方相囊泡的機理為：分子自組裝、囊泡聚集、拓撲學重組、結構有序化和生長等步驟（圖5B）。
總結前面的陳述，該研究工作清楚地說明了前期研究的思想和獲得的結果，即受脂質自組裝原理的啟發，被納米團簇功能所吸引，獨辟蹊徑地設計并合成了異質納米團簇的啞鈴兩親分子（HCJMs），通過溶液自組裝構筑了一種立方相囊泡，并通過跟蹤組裝的過程，闡明了組裝的機理，探索出超分子構筑新基元與自組裝的自主創新思路。
展望未來，王維教授課題組期望研究由納米團簇構筑的立方相囊泡的功能，發展成新型的團簇材料。更期望本工作觀察到的組裝過程和闡明的組裝機理，幫助正確地理解如何將藥物包覆在立方相囊泡中。最后，還期望Nestlé的研究人員在讀到該論文后，受到啟發，早日生產含咖啡因的立方相囊泡，讓靠咖啡因提神的人們每天早上喝一杯這樣的咖啡，整天都有精力工作【8】。
致謝：本文為紀念南開大學建校100周年而寫。感謝國家自然科學基金項目（21334003和21674052）提供的資助。
論文信息及鏈接：
Hong-Kai Liu, Li-Jun Ren, Han Wu, Yong-Li Ma, Sven Richter, Michael Godehardt, Christian Kübel, and Wei Wang, Unraveling the Self-Assembly of Hetero-Cluster Janus Dumbbells into Hybrid Cubosomes with Internal Double Diamond Structure, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 831–839.
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.8b08016
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【2】 侯占要，胡敏標，王維，多金屬氧簇與倍半硅氧烷簇構筑的簇-簇雜化分子的合成及自組裝結構，化學學報，2014，72，61.
【3】 C. Ma, H. Wu, Z.-H. Huang, R.-H. Guo, M.-B. Hu, C. Kübel, L. T. Yan, W. Wang, A Filled-Honeycomb-Structured Crystal Formed by Self-Assembly of a Janus Polyoxometalate–Silsesquioxane (POM–POSS) Co-Cluster, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 15699.
【4】 H. Wu, Y.-Q. Zhang, M.-B. Hu, L.-J. Ren, Y. Lin, W. Wang, Creating Quasi Two-Dimensional Cluster-Assembled Materials through Self-Assembly of a Janus Polyoxometalate-Silsesquioxane Co-Cluster, Langmuir 2017, 33, 5283.
【5】 L.-J. Ren, H. Wu, M.-B. Hu, Y.-H. Wei, Y. Lin, W. Wang, Self-Assembly of Achiral Shape Amphiphiles into MultiWalled Nanotubes via Helicity-Selective Nucleation and Growth, Chem. Asian J. 2018, 13, 775.
【6】 X.-S. Hou, G.-L. Zhu, L.-J. Ren, Z.-H. Huang, R.-B. Zhang, G. Ungar, L.-T. Yan, W. Wang, Mesoscale Graphene-Like Honeycomb Mono- and Multi-Layers Constructed via Self-Assembly of Co-Clusters, J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 1805.
【7】 H.-K. Liu, L.-J. Ren, H. Wu, Y.-L. Ma, S. Richter, M. l. Godehardt, C. Kübel, W. Wang, Unraveling the Self-Assembly of Hetero-Cluster Janus Dumbbells into Hybrid Cubosomes with Internal Double Diamond Structure, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 831.
【8】 http://www.nestle.com/media/news/cubosome-science-slow-caffeine-comedown.
