1月9日，天津大學理學院胡文平，王雨，吳煌與諾獎得主詹姆斯·弗雷澤·司徒塔特（J. Fraser Stoddart）教授在光電功能的手性阿基米德多面體的構筑上取得的最新研究成果，發表在國際著名學術期刊Nature《自然》上。論文題目為“動態超分子扭棱立方體”（Dynamic supramolecular snub cubes）。該論文通訊作者是胡文平，詹姆斯·弗雷澤·司徒塔特，王雨和吳煌教授，第一作者是吳煌教授。

2000多年前，古希臘數學家阿基米德提出了13種阿基米德多面體，這些多面體通過對正多面體進行截半、截角和扭棱等操作得到，以結構復雜而著稱。在這13種多面體中，扭棱立方體是兩個具有拓撲手性的阿基米德多面體中的一個，實現其立體特異性構筑一直是化學家和材料學家追求的研究目標。胡文平與詹姆斯·弗雷澤·司徒塔特研究團隊聯手開辟了光電小分子手性組裝新途徑，構筑了超分子扭棱立方體，研究成果在《自然》發表。

研究團隊基于光電功能分子設計并合成了“8”字形的螺旋大環，并通過螺旋大環之間的144個重弱氫鍵實現了超分子扭棱立方體的定向組裝。設計并合成的超分子扭棱立方體由24個頂點、60條棱和38個面組成，其中包括6個正方形、8個正三角形和24個不等邊三角形。每個扭棱立方體含2712個原子，外徑達到5.1 納米。同時，扭棱立方體內部擁有一個體積為6215立方埃米的手性空腔，半徑為2.3 納米。該研究實現了左手扭棱立方體和右手扭棱立方體的選擇性構筑。由于其獨特的多孔結構，該扭棱立方體能夠同時裝載多個不同的有機客體分子，還能在立方體的內部空腔和外部“口袋”中選擇性地裝載不同的客體分子。此外，該扭棱立方體還表現出優異的光電性能，不僅能夠在光照下發生可逆的顏色變化，還可以用光照來調節其彈性和硬度。這為開發機械性能可調的先進光電功能材料奠定了基礎。這項研究為構筑拓撲手性的人工多面體提供了全新的組裝途徑，也為開發具有豐富包裹性能的智能人工多面體提供了深刻的見解。

研發人員表示，科學就是探索未知，發現規律。阿基米德多面體一直備受數學家、化學家、材料學家所關注，因為此類基礎性前沿研究可以對新材料、生物醫藥、化學化工等領域產生深遠的影響。比如，許多球形病毒衣殼和鐵蛋白展現出類似阿基米德多面體的拓撲結構。設計并合成超分子扭棱立方體，為理解球形生物大分子在生物系統中的形成與功能執行提供了重要途徑。因此，化學家和材料科學家一直致力于復雜人工多面體的設計與合成。這項研究在模擬生物封裝材料這一方向邁出重要一步，也為設計先進的光電功能晶態材料提供了新思路。

該項目研究同時獲得中國自然科學基金委員會、中國科技部、美國自然科學基金委員會、美國能源部、美國國立衛生研究院以及歐洲研究委員會等的資助。

圖1. 超分子扭棱立方體的非共價合成

論文信息：

Huang Wu*, Yu Wang*, Luka?or?evi?, Pramita Kundu, Surojit Bhunia, Aspen X.-Y. Chen, Liang Feng, Dengke Shen, Wenqi Liu, Long Zhang, Bo Song, Guangcheng Wu, Bai-Tong Liu, Moon Young Yang, Yong Yang, Charlotte L. Stern, Samuel I. Stupp, William A. Goddard III, Wenping Hu* & J. Fraser Stoddart*. Dynamic supramolecular snub cubes. Nature 2025, DOI: 10.1038/s41586-024-08266-3.