全球首例!人造分子肌肉重大突破 臺大化學本土團隊研究榮登《Nature Chem.》

科技部10月5日舉行臺大化學研究團隊研發全球首例人造分子肌肉四聚體,重大突破傑出研究成果發表會,科技部政務次長蔡明祺及臺大副校長張慶瑞共同主持,中研院院士彭旭明及科技部自然司司長吳俊傑嘉勉臺大化學系邱勝賢教授研究團隊傑出貢獻。

 

邱勝賢教授以雛菊鏈為例,指出歐美小孩在野外扮家家酒時,常常以雛菊製作花環及手環等裝飾。基本上是先將採摘來的雛菊莖部中間撕開一個小洞,再反覆將一朵雛菊的莖穿過另一朵雛菊莖部上的孔洞,最後再頭尾銜接組裝成環,便成為可配掛在手腕、頸部或頭上的雛菊鏈花環。

 

在分子層次上,化學家合成結構上同時具有一個大環(母)以及可與其穿透鍵結之辨識單元(公)的兩性單體分子來模擬單朵雛菊,並希望以之組裝成環狀雛菊鏈。然而,一直以來,由於亂度對平衡的影響,組裝所得到的主要環狀產物都是二聚體。透過適當的分子設計並賦予兩性單體分子結構上的堅韌性,組裝出來的環狀二聚體將可針對外部刺激作出長度收縮和伸張的循環變化,相當程度地模仿一般生物肌肉的一維運動。因此,以環狀雛菊鏈二聚體為基礎的一維人造分子肌肉與相關的智慧材料一直受到相當的重視。

 

理論上,具有剛性結構的高階環狀雛菊鏈分子,應有機會成為延伸一維分子肌肉運動到二維平面或三維空間中的多維人工分子肌肉,並衍生出可同時進行多維度動作的智慧材料。然而,這樣的多維人造肌肉分子卻從未被報導過,因為選擇性組裝環狀雛菊鏈三聚體或四聚體,至今仍是一個尚未解決的難題。

 

臺灣大學化學系邱勝賢教授與其研究團隊,在雛菊單體結構設計上同時導入結構的剛性,金屬配位的幾何形狀控制與芳香環之間的扭張力來抑制環狀雛菊鏈二聚體與三聚體的生成,進而達到選擇性生成環狀雛菊鏈四聚體的目標。

 

利用有機合成反應固定分子環狀雛菊鏈四聚體的結構,可發現其在無鋅離子鍵結的情況下,呈現近似四邊形的平面構形,但在鍵結鋅離子後則轉為四面體的立體形狀。而環狀雛菊鏈三聚體則可在鋅離子的加入與移除中呈現平面三角形的擴張與收縮兩態。若考慮兩相鄰端點的距離,則環狀雛菊鏈四聚體與三聚體可以被認為是人造的多維分子肌肉,其伸張與收縮兩態間的長度變化量分別約有36與23%,較之生物肌肉分子(27%),毫不遜色。

 

上述研究係由科技部自然司的卓越領航計畫與臺大拔尖計畫所共同支持完成,其全文已於2016年9月19日線上發表於《自然 化學》(Nature Chem. 2016,DOI: 10.1038/nchem.2608)。

 

近年來,邱勝賢教授的研究團隊主要致力在於主客化學、分子自組裝、分子開關與分子機械等方向的基礎與應用研究,除在Angew. Chem. Int. Ed.、Org. Lett.與Chem. Eur. J.等重量級國際期刊有多篇著作發表外,亦有多件相關專利獲准。以內鎖雛菊鏈建構多維人造分子肌肉。

 

2016年諾貝爾化學獎,由3位研究「分子機械」的學者共同獲得,其中得主之一,英國籍的史多達特(Sir J. Fraser Stoddart)曾多次來臺演講,貴為大師卻毫無架子,讓不少臺灣學者印象深刻。臺大化學系教授邱勝賢過去在UCLA求學時,就拜入史多達特門下。獲悉恩師得獎的消息,他開心的表示「雖然有點晚,但這一刻終於來了。」近年來,能夠接受外加刺激或感測環境變化,並改變特性的「智慧材料」已經大量出現在我們日常生活所使用的器具、服飾與住家之中,例如導電油墨、記憶合金、光或電致變色材料等等。由於材料的「智慧」,大多來自組成分子受外加刺激所產生的變化,因此,設計與建構材料本身在分子層級的結構與行為對於智慧材料的發展至為重要。