物质学院甄家劲课题组与合作者在机械力驱动的非平衡超分子体系研究中取得重要进展

近日，上海科技大学甄家劲课题组与麻省理工学院Heather J. Kulik团队在机械力驱动的非平衡超分子体系研究中取得重要进展。研究创新性地通过机械力引入能量，驱动配位自组装偏离平衡态，并与热驱动的重组过程相耦合，成功构建非平衡限域催化系统，从而有效规避了传统热力学控制下超分子催化的产物抑制问题。相关成果发表于国际学术期刊《化学》（Chem）。

生命体系本质上是一类依赖持续能量输入维持低熵有序状态的非平衡耗散系统，其结构与功能通过不断与环境进行能量交换得以维持，例如ATP合成酶、肌肉收缩和DNA复制等过程均依赖分子层面的精密“机器”在非平衡状态下运作。相比之下，传统合成化学体系通常遵循热力学规律自发趋向平衡，难以实现类似生命体系中持续、可控的非平衡行为，其主要挑战在于如何通过持续能量输入使体系远离平衡态。因此，拓展新的能量输入方式成为该领域的关键科学问题。

目前发展的非平衡分子体系主要依赖光、电或化学燃料作为能量来源，而机械作用这一常见物理过程长期主要用于促进化学反应本身，较少被视为一种驱动非平衡过程的能量输入方式。本研究提出，机械作用（如球磨冲击）可在分子尺度上引发金属有机笼结构的瞬时形变，提高体系基态能量并降低反应步骤的能垒，使原本难以发生的反应得以实现；将这一力驱动的自组装过程进一步与后续热力学自发的重组过程相耦合，可实现完整的非平衡循环（图1）。在此基础上，该循环被应用于限域催化体系，实现了催化位点的持续再生与反应周转，有效克服了传统热平衡条件下由强结合产物导致的抑制问题。本研究拓展了现有以光、电和化学燃料为主的能量输入方式，提出了无需额外分子改造即可构建非平衡化学体系的通用策略，并为构建具有类生命动态行为的合成分子系统提供了新的设计思路。

图1. 机械力驱动金属有机笼形变与客体释放，并与自发重组耦合形成持续的非平衡循环。

甄家劲课题组博士毕业生刘方梓为论文的第一作者，甄家劲教授与Heather J. Kulik教授为论文通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。

论文标题：Out-of-equilibrium confinement catalysis mediated by compressive force

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929426000926