什么是莫比乌斯带？

公元1858年，德国数学家莫比乌斯和约翰·李斯丁发现：把一根纸带扭转180°后，两头再粘接起来做成的纸带圈，具有魔术般的性质。普通纸带具有两个面，两个面可以涂成不同的颜色；而这样的纸带只有一个面，一只小虫可以爬遍整个曲面而不必跨过它的边缘，这种纸带被称为“莫比乌斯带”，如图1所示。

图1. 莫比乌斯带

莫比乌斯带具有引人入胜的拓扑环形结构，同时由于其非定向表面赋予莫比乌斯带独特的性能，因此具有莫比乌斯结构的共轭分子受到了科学家们的广泛研究，许多科学们致力于莫比乌斯带状物质的合成。如果我们要自制一个莫比乌斯带，只需要找一根纸带，几秒钟就可完成，但是，要在分子结构范围内让这种奇特的纳米结构自发形成是极其困难的。

亮点

近期，华中科技大学的研究人员通过自组装技术制备出了莫比乌斯带状的嵌段共聚物。通过嵌段共聚物聚苯乙烯-嵌段-聚（D-丙交酯酸）（PS-b-PDLA）在四氢呋喃/水混合溶剂中快速自组装了莫比乌斯带状的嵌段共聚物，这种莫比乌斯带状的聚合物是由大的复合胶束(LCM)到纺锤状胶束(SLM)再到沿环180°扭转的环状结构演化而成。

莫比乌斯带状聚合物的结构

图2是该聚合物的3D图像，从图中能够看出沿着环方向的扭曲结构，图3a可以在环上绘制两条连续的循环迹线，而不会越过边缘，这也意味着该聚合物有着莫比乌斯带的扭曲结构；图3f也进一步显示了八字形结构，这是莫比乌斯带的特征结构，这均表明研究人员成功制备了莫比乌斯带状的聚合物。那这种具有特殊结构的莫比乌斯带状聚合物是怎么形成的呢？

图2. 莫比乌斯带状聚合物的3D图像

图3. 莫比乌斯带状聚合物的电镜图

莫比乌斯带状聚合物结构形成过程

莫比乌斯带具有环形和扭曲结构。因此，研究人员将水快速加入到胶束悬浮液中，记录自组装过程的中间结构：在反应初期，如图4a，在含水量13%时，出现几十纳米的小球形胶束（SSM）；连续加水至18.0％时，如图4b所示，将促使SSM聚结成直径更大化合物胶束（LCM）；进一步加水至23％时，如图4c，LCM转化为纺锤状胶束（SLM）；最终，SLM在10分钟内自发地转变为图4e所示的环形胶束。这种扭曲环形的形成是通过SLM的自发循环在更高的层级发生，其由与运动方向相反的阻力驱动，这种阻力有利于SLM的弯曲，从而形成环。

图4. PS-b-PDLA自组装成环状聚合物过程的形态演化

莫比乌斯带状结构形成机理

环的扭曲结构是莫比乌斯带的另一个特征。研究人员通过纸带演示了合成过程中的几种闭合情况，如图5所示，SLM的两端（标记为A和B）旋转90°以实现有效闭合，有四种闭合模式：A端顺时针旋转90°（简称A-R90°），B端逆时针旋转90°（简称B-L90°），A-R90°和B-R90°，A-L90°和B-L90°，以及A-L90°和B-R90°。如果SLM通过A-R90°和BL90°或A-L90°和B-R90°模式闭合，则不会形成环的扭曲结构；通过A-R90°和B-R90°闭合将沿莫比乌斯带引起180°P-扭曲，A-L90°和B-L90°则引起180°M-扭曲。在180°P-扭曲和180°M-扭曲的作用下制备的聚合物均具有莫比乌斯带状结构。

图5. 莫比乌斯带状聚合物形成模式示意图

本篇文章证明了通过嵌段共聚物的自组装能够制备出莫比乌斯带状的聚合物。此外，在选择性去除PLA微区后，可以获得含有平行的中孔手性通道的各向异性颗粒，这项技术在手性复合材料的催化，分离和模板合成中有着广泛的应用前景，同时有望在不对称催化和蛋白质层析领域得到广泛的应用。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-11991-3.pdf