诺奖得主，最新《自然·通讯》! 分子马达驱动液-液相分离，实现光热协同可逆调控

在生物体系中，液-液相分离是一种普遍存在的物理过程，决定着细胞内无膜细胞器的形成与动态调节，对蛋白质折及叠基因表达等生理功能至关重要。受此启发，人工材料领域近年致力于将LLPS机制引入分子设计，以开发具有动态响应、自适应与可编程功能的智能材料。然而，要在分子水平上实现对相分离过程的精确、可逆与多态控制，仍面临重大挑战。尤其是如何在保持体系可逆性的同时，实现非平衡状态下的动态操控，是该领域亟待突破的难题。

近日，Ben L. Feringa教授团队首次实现了由分子马达驱动的可逆液-液相分离，并通过光与热的正交调控，实现了多态可编程的相变过程。该研究展示了分子机器如何将纳米级机械旋转转化为宏观液滴的生成与消失，为构建具备生命系统动态特征的自适应材料开辟了新路径。

研究团队设计了一种基于第二代光驱动分子马达（2MOEG系列）的两亲分子，其分子在光照与加热条件下可实现四步单向旋转，不同异构状态对应不同的偶极矩与氢键构型，从而在水环境中引发显著的亲疏水性变化。体系的临界相分离温度（Tc）可通过分子结构精确调控，覆盖18–52 °C的宽温区。更为引人注目的是，研究者进一步实现了分子马达旋转原位驱动的可逆相分离。相分离液滴的形成与溶解无需额外化学刺激，仅依靠马达分子内部结构重排即可实现。

图1 | 分子马达驱动的多态液-液相分离示意图。

在分子层面，研究者利用核磁共振（NMR）与紫外–可见吸收光谱（UV–Vis）系统揭示了马达旋转的全过程，证实了其在四种构型间的单向循环。进一步的冷冻透射电镜（cryo-TEM）结果表明，这些分子可自组装形成不同形貌的超分子结构：OEG链较长的马达形成球形胶束，而OEG链较短的则生成蠕虫状胶束并在老化后演化为纤维状结构。

图2 | 分子马达的旋转与自组装行为。

研究团队通过温度依赖动态光散射和显微技术探究了分子马达组装体的热响应液-液相分离行为。结果显示，不同异构体之间的临界相分离温度（Tc）存在显著差异：Z构型更亲水、偶极矩较大、氢键较弱，因此Tc较高；E构型更疏水、偶极矩较小、氢键较强，因此Tc较低。通过调节亲水链长度，体系的Tc可在18至52°C之间连续变化。共聚焦显微镜（CLSM）观察显示，体系在加热至Tc以上时出现液滴，在降温后又可完全溶解，表现出优异的可逆性与动态响应特征。

图3 | 分子马达组装体的热响应相分离行为。

更为引人注目的是，研究者进一步实现了分子马达旋转直接驱动的可逆相分离。当体系处于室温条件下时，光照诱导马达从Zs异构体转化为Em异构体，体系随即发生液滴生成；黑暗中加热则触发Em→Es转变，液滴持续存在；再次光照则诱导液滴重新溶解，实现一个完整的光控生成—热控稳定—光控消解循环。整个过程无需额外化学刺激，仅依靠马达分子内部结构重排即可实现。

图4 | 分子马达驱动的可逆液-液相分离。

此外，研究团队通过Eyring动力学分析测定了马达在不同状态下的旋转速率与能垒，发现马达在超分子组装中旋转速度略慢于单体态，但在液滴中仍保持较高流动性。该结果进一步证实，液滴相具备足够的分子自由度以维持马达的持续旋转，从而保证体系的动态可逆性。

图5 | 分子马达旋转能量景观。

这项研究首次在实验层面实现了由分子马达驱动的可逆液-液相分离，通过光与热的正交耦合实现了多态、可编程的动态调控，并展示了液滴中仍可保持的高流动性与分子旋转协同特征。研究揭示了从分子尺度机械运动到宏观相行为的直接关联，为构建可在外界刺激下自主调节的软物质提供了新范式。

这一成果不仅拓展了分子机器的功能边界，也为智能软物质、动态递药系统和仿生自适应材料等领域提供了全新的设计思路。未来，随着分子马达设计与材料耦合机制的不断深化，这种“分子驱动的动态相分离”有望成为模拟生命体系的重要途径，进一步推动非平衡生物医用材料的创新与发展。