2018年8月20日
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胡文兵教授《Physics Reports》综述: 高分子链折叠的物理学

有关链折叠的结晶生长机制一直是高分子结晶学的研究目标之一。链折叠代表了片状高分子晶体以及蛋白质β-折叠中的模板构型。因此,理解链折叠对研究高分子结晶以及一些基本的蛋白质性质是至关重要的。

在国家自然科学基金项目资助下,近日,南京大学化学化工学院高分子科学与工程系胡文兵教授在物理学顶尖综述期刊Physics Reports上发表了题为《The physics of polymer chain-folding》的综述文章,胡文兵教授为唯一作者。

该综述基于实验、理论和分子模拟相结合的视角,从链折叠的发展历程、物理起源、晶体生长、解折叠以及在蛋白质折叠的应用等方面系统地介绍了目前对片状高分子晶体中链折叠与解折叠的理解,阐述了链折叠的重要性。通过单链结晶自由能的计算,采用链内成核模型阐述了链折叠的起源(图1和图2)。基于片晶的侧向生长前沿处的可逆分子内次级晶核,得到了高分子晶体生长的速率方程。因此,可以解释许多独特的高分子晶体生长现象,包括半晶质结构、shish-kebab微晶和有限的片晶厚度。另外,折叠的高分子链在晶体退火、熔融以及应变诱导的熔融重结晶时能够进行解折叠,其微观机理与链折叠一致。正是由于高分子的解折叠,才产生了具有独特热性能和机械性能的半结晶高分子,所以适当解折叠的取向高分子结晶材料为合成纤维、塑料薄膜和塑料容器提供了优越的力学性能。因此,链折叠是解决高分子材料的结晶、熔融行为以及控制其性能的关键。实际上,高分子链折叠也可以成为理解蛋白质折叠、错误折叠和解折叠的基本问题的原型模型,如快速的蛋白质折叠、淀粉样蛋白生长抑制和高蜘蛛丝韧性。因此,高分子链折叠的物理学将有助于我们对材料科学和生命科学中许多具有挑战性问题的进一步理解。有关高分子结晶学的更详细介绍,请参考胡文兵教授的专著《高分子结晶学原理》。

图1 链状大分子的分子内链折叠成核模式和分子间缨状微束成核模式

图2 高分子结晶链折叠原理示意图

参考文献:

[1] Wenbing Hu, The physics of polymer chain-folding. Physics Reports, 2018, DOI: 10.1016/j.physrep.2018.04.004

[2] 胡文兵. 高分子结晶学原理. 化学工业出版社, 2013

[3] 胡文兵教授课题组网站http://hysz.nju.edu.cn/hwb/

文章链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370157318301042

(化学化工学院 科学技术处)