中科院化學所研制出三態浸潤性仿生智能開關表面
2007-07-13 來源：中國聚合物網
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在中國科學院、國家自然科學基金委和科技部的支持下，化學所有機固體院重點實驗室研究人員與分子納米結構與納米技術院重點實驗室及國家納米中心的研究人員合作，成功利用DNA納米馬達制備出焓驅動的三態浸潤性智能開關表面(open-close-locked)，相關研究結果發表在近期的《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 3915-3917； Angew. Chem. 2007, 119, 3989-3991)上。
前期工作中，該組研究人員在熱響應超疏水－超親水可逆“開關”研究中，在基底上制備了溫度響應高分子的可逆開關(Angew. Chem. Int. Ed. 2004,43,357)；利用水熱法制備了陣列氧化鋅納米棒，實現了表面浸潤性由超疏水向超親水轉變(J. Am. Chem. Soc. 2004,126,1,62)；并構筑了光開關的浸潤性和顏色雙重響應的氧化鎢納米薄膜(Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45,1264-1267)以及溫度和pH值雙重刺激的超疏水與超親水可逆轉換聚合物薄膜(Adv. Mater. 2006,17,432-436)。
研究過程中他們注意到，對于以上這些由無機氧化物或有機分子構筑的響應表面，大多遵循熵驅動的開關過程。而在生命現象和分子識別行為中，焓驅動的過程占有十分重要的地位。在很多情況下，生物分子都是經歷了從一種有序狀態到另一種有序狀態的焓驅動的轉變過程，這種特異的一對一的分子識別特性，為智能納米器件的設計提供了可能。
研究人員從仿生分子設計的角度，選擇DNA納米馬達作為智能開關的核心，首先對其進行了功能化的修飾，分別在DNA納米馬達的兩端修飾疏水的功能團和表面固定基團(-SH，巰基)。進而，通過單層自組裝將DNA納米馬達固定在陣列微結構的金基底上，構筑了一個新穎的智能表面。通過酸堿刺激，在該表面上可以實現如圖所示的超親水、亞穩的超疏水和穩定的超疏水三種狀態之間的轉換。這三種狀態分別對應于DNA的三種構型折疊的四鏈結構、伸展的單鏈結構與剛性的雙鏈結構。DNA三種構象的變化使得所構筑的表面頂部的化學功能團也相應地發生變化，從而導致了表面浸潤性的轉變。就像是一個智能的“浸潤門”，open時顯示出超親水性，close時表現出亞穩的超疏水性(微小的刺激會使超疏水性失去)，而locked時定的超疏水性。這些結果有助于我們了解生物識別行為過程，也有助于新型智能表面的設計和發展。
前期工作中，該組研究人員在熱響應超疏水－超親水可逆“開關”研究中，在基底上制備了溫度響應高分子的可逆開關(Angew. Chem. Int. Ed. 2004,43,357)；利用水熱法制備了陣列氧化鋅納米棒，實現了表面浸潤性由超疏水向超親水轉變(J. Am. Chem. Soc. 2004,126,1,62)；并構筑了光開關的浸潤性和顏色雙重響應的氧化鎢納米薄膜(Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45,1264-1267)以及溫度和pH值雙重刺激的超疏水與超親水可逆轉換聚合物薄膜(Adv. Mater. 2006,17,432-436)。
研究過程中他們注意到，對于以上這些由無機氧化物或有機分子構筑的響應表面，大多遵循熵驅動的開關過程。而在生命現象和分子識別行為中，焓驅動的過程占有十分重要的地位。在很多情況下，生物分子都是經歷了從一種有序狀態到另一種有序狀態的焓驅動的轉變過程，這種特異的一對一的分子識別特性，為智能納米器件的設計提供了可能。
研究人員從仿生分子設計的角度，選擇DNA納米馬達作為智能開關的核心，首先對其進行了功能化的修飾，分別在DNA納米馬達的兩端修飾疏水的功能團和表面固定基團(-SH，巰基)。進而，通過單層自組裝將DNA納米馬達固定在陣列微結構的金基底上，構筑了一個新穎的智能表面。通過酸堿刺激，在該表面上可以實現如圖所示的超親水、亞穩的超疏水和穩定的超疏水三種狀態之間的轉換。這三種狀態分別對應于DNA的三種構型折疊的四鏈結構、伸展的單鏈結構與剛性的雙鏈結構。DNA三種構象的變化使得所構筑的表面頂部的化學功能團也相應地發生變化，從而導致了表面浸潤性的轉變。就像是一個智能的“浸潤門”，open時顯示出超親水性，close時表現出亞穩的超疏水性(微小的刺激會使超疏水性失去)，而locked時定的超疏水性。這些結果有助于我們了解生物識別行為過程，也有助于新型智能表面的設計和發展。
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（責任編輯：曉靖）
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