近日，冰球突破材料学院李霄羽课题组提出了一种基于盘状液晶嵌段共聚物可控溶液自组装的新策略。相关成果以“Convoluted Micellar Morphological Transitions Driven by Tailorable Mesogenic Ordering Effect from Discotic Mesogen-Containing Block Copolymer”为题，发表于著名期刊Nature Communications。材料学院博士生杨焕志为该论文的第一作者，李霄羽教授和青年教师金碧鑫为论文的通讯作者。

为了深入理解自然系统中自发的多模态多阶段组装行为，利用人工体系对其模拟和复现至关重要。其中的关键点在于如何在同一组装体系中得到多个亚稳态组装结构。具有侧链基团的嵌段共聚物将功能性基团和线性链状分子结构相结合，是研究分子水平的结构变化如何影响大分子组装形貌的理想模型。在绝大多数嵌段共聚物组装体系当中，组装驱动力通常过强，导致直接形成了热力学稳定的胶束结构，难以发现组装过程中的一些微妙转变，无法模拟自然系统复杂的自组装过程。因而，如何构建具有类似自然界中的组装体系，利用不同相互作用达到微妙的近似平衡，实现多胶束形貌转变，仍然具有巨大的挑战。

鉴于此，李霄羽教授团队设计和合成了基于苯并菲盘状液晶基元的侧链型液晶嵌段共聚物，发现其自组装过程中，由于苯并菲盘状液晶规整能力较弱，在胶束化过程初期有序性较低，而之后会缓慢提高，并驱动胶束内分子链运动重排，使得胶束形貌发生多次转变。而另一方面，如果通过掺杂的方法提高其液晶规整性，可以使其迅速达到热力学平衡状态，同时组装过程由胶束内分子链重排转变为成核-生长的机制，为其可控组装提供了可能。

具体而言，该嵌段共聚物在溶液组装过程中由于其液晶规整化作用较弱，导致自组装过程中经历了连续而复杂的形貌转变。随时间推移，通过分子内链重排机制，依次得到包括小球、蠕虫状、管状、囊泡结构、“水母状”结构以及纤维结构等多种形貌组装体。在进一步的研究中，通过加入掺杂剂与苯并菲侧基形成电荷转移络合物，提高其液晶规整化作用，进而调控受体小分子掺杂比例，极大地加速了其组装过程，直接得到了多种不同特殊形貌的热力学稳定组装结构（诸如梭形囊泡、弯曲带状结构、纤维等）。

尤其是当掺杂比例为 r = 1时，嵌段共聚物与掺杂小分子共组装形成规整度更高、刚性更大的纤维结构。对其组装过程进行深入研究发现，其掺杂后的嵌段共聚物组装行为由分子内链重排转变为成核-生长机理。基于该组装机理，成功在此组装体系中实现温度诱导的“自成核”组装过程，可以在较宽的长度范围内精确控制纤维长度，首次证明了“液晶驱动活性自组装”在盘状液晶体系中的可行性。

该项研究利用引入较弱的盘状液晶规整化作用作为驱动力，首次在同一种人工组装体系中实现了多次形貌转变，并通过调控规整化作用强度，实现了组装机制的变化，揭示了弱驱动力组装体系的丰富可能性，可以很好的模拟生命有机体的多模态自组装过程，为复杂组装行为的相关研究奠定基础。

全文链接：http://www.nature.com/articles/s41467-024-47312-6