高分子材料已深度融入人類生活，以塑料為代表的合成高分子在帶來便利的同時(shí)，也引發(fā)了全球性的塑料污染危機(jī)。傳統(tǒng)可降解塑料依賴在聚合物主鏈中引入特定化學(xué)鍵，但這些化學(xué)鍵往往需要強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或高溫等嚴(yán)苛條件才能斷裂，導(dǎo)致降解成本高、過程產(chǎn)生腐蝕性廢液且難以精準(zhǔn)控制，限制了其應(yīng)用場景。美國羅格斯大學(xué)顧宇煒教授團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，從自然界生物大分子的自降解機(jī)制中汲取靈感，提出了一種在溫和條件下實(shí)現(xiàn)高分子自降解的創(chuàng)新策略。

自然界中，RNA和蛋白質(zhì)等生物大分子通過精妙的化學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高效自降解。研究發(fā)現(xiàn)，這些分子在易斷裂的化學(xué)鍵附近預(yù)先布置了“鄰位基團(tuán)”，并通過精準(zhǔn)的空間排布調(diào)控降解速率。例如，RNA中的磷酸二酯鍵和蛋白質(zhì)中的肽鍵，正是由于鄰位基團(tuán)的存在，才能在特定條件下實(shí)現(xiàn)自我分解。更巧妙的是，生物大分子還能通過折疊結(jié)構(gòu)變化動(dòng)態(tài)調(diào)整鄰位基團(tuán)與化學(xué)鍵的距離，從而靈活控制降解速度。

受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)將類似策略引入人工合成高分子材料。他們通過在聚合物結(jié)構(gòu)中精準(zhǔn)放置鄰位基團(tuán)，成功開發(fā)出無需外加試劑即可自發(fā)降解的材料。實(shí)驗(yàn)表明，僅需調(diào)整鄰位基團(tuán)與可降解鍵的相對(duì)位置，就能將降解周期從數(shù)小時(shí)延長至數(shù)年，實(shí)現(xiàn)了對(duì)降解速率的分子級(jí)調(diào)控。這種策略不僅降低了降解所需的技術(shù)與能源成本，還為材料設(shè)計(jì)提供了前所未有的靈活性。

為驗(yàn)證這一仿生策略的普適性，團(tuán)隊(duì)將其應(yīng)用于聚雙環(huán)戊二烯等傳統(tǒng)難降解材料。通過分子設(shè)計(jì)，原本幾乎不可分解的聚雙環(huán)戊二烯實(shí)現(xiàn)了可控自降解，甚至開發(fā)出數(shù)小時(shí)內(nèi)完全分解的超快速降解材料。進(jìn)一步與計(jì)算化學(xué)專家合作，通過密度泛函理論和分子動(dòng)力學(xué)模擬，揭示了自降解的微觀機(jī)制，為理論優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

該研究的突破性在于首次將生物大分子的自降解機(jī)制成功移植到合成高分子體系中。論文投稿后，一位審稿人提出關(guān)鍵問題：能否像生物大分子一樣，通過結(jié)構(gòu)變化動(dòng)態(tài)調(diào)控降解速率？團(tuán)隊(duì)迅速響應(yīng)，利用超分子化學(xué)控制高分子折疊結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了鄰位基團(tuán)位置的動(dòng)態(tài)調(diào)整。最終論文不僅展示了靜態(tài)結(jié)構(gòu)控制，還呈現(xiàn)了動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制，在概念和精妙程度上與自然機(jī)制高度接近。

盡管目前仍處于概念驗(yàn)證階段，但這一策略已展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在可持續(xù)包裝領(lǐng)域，分子層面可編程的自降解機(jī)制可使包裝材料按預(yù)設(shè)時(shí)間自行分解，從源頭減少塑料污染；高性能漁具和農(nóng)具材料方面，該策略既能保持機(jī)械強(qiáng)度，又能實(shí)現(xiàn)自我降解，解決高強(qiáng)度與難降解的矛盾；生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過精準(zhǔn)調(diào)控藥物載體的降解速率，可實(shí)現(xiàn)藥物釋放曲線的分子設(shè)計(jì)，為精準(zhǔn)醫(yī)療提供新工具。目前，已有日本漁具公司和英國農(nóng)具公司表達(dá)合作意向。

研究團(tuán)隊(duì)的形成頗具傳奇色彩。顧宇煒在博士階段專注合成高分子研究，博士后階段轉(zhuǎn)向生物大分子，這段經(jīng)歷讓他掌握了多種生物分子的合成與修飾技術(shù)，并萌生了向自然學(xué)習(xí)高分子化學(xué)的想法。2023年獨(dú)立建組后，他帶領(lǐng)自費(fèi)碩士生殷紹崢等成員，在設(shè)備不完善的情況下，邊搭建實(shí)驗(yàn)室邊開展研究。他們?cè)O(shè)計(jì)了三種分子骨架，通過兩個(gè)月摸索確定了基本合成路線，為后續(xù)突破奠定基礎(chǔ)。

研究過程中，一段跨越時(shí)空的學(xué)術(shù)傳承令人動(dòng)容。為復(fù)現(xiàn)1994年英國牛津大學(xué)約翰·薩瑟蘭教授課題組報(bào)道的關(guān)鍵中間體，顧宇煒輾轉(zhuǎn)聯(lián)系到當(dāng)年實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行者喬治·韋弗博士。盡管三十年過去，韋弗仍清晰記得關(guān)鍵步驟，并詳細(xì)描述了反應(yīng)條件。根據(jù)他的回憶，團(tuán)隊(duì)當(dāng)天即成功合成目標(biāo)分子，這成為整個(gè)課題的起點(diǎn)。薩瑟蘭教授回信表示，這項(xiàng)早期研究能助力當(dāng)前高分子降解問題，體現(xiàn)了基礎(chǔ)科學(xué)的深遠(yuǎn)價(jià)值。