近日，华东理工大学材料学院林嘉平教授、蔡春华教授团队在聚合物纳米环拓扑结构调控方面取得新进展，首次报道了均匀形貌的聚合物三角形纳米环。相关成果发表于《德国应用化学》。
纳米环在自然界普遍存在，因其独特的几何结构，可作为纳米反应器、功能结构的模板等。自然界中存在的纳米环往往以非圆形结构的形式存在，如DNA的“8”字形结构、肌动蛋白的多边形环等。聚合物自组装是制备纳米环的有效方法，然而，其拓扑形貌大多为圆形，非圆形，尤其是多边形纳米环的制备及其形成机制的研究仍是一个挑战。
研究团队通过聚肽均聚物聚(γ-苄基-L-谷氨酸酯)（PBLG）的溶液自组装方法，制备得到了均匀形貌的三角形纳米环。通过对三角形纳米环边长和角度的统计，发现其近似于一个等边三角形。三角形纳米环并非平面结构，其边的高度变化趋势表明了该结构具有右手手性特征。三角形纳米环的手性与PBLG聚合物的手性特性有关。在类似的实验条件下，PBDG（PBLG的对映体，具有相反手性）可以形成类似形貌的左手性三角形纳米环。
三角形纳米环的形成是通过向PBLG均聚物的二氧六环/N，N-二甲基甲酰胺溶液中加水来实现的，该过程包含三个步骤：首先，在低加水量下，PBLG均聚物组装成纳米纤维；随着水量增加，纳米纤维缠绕形成圆形纳米环；当水量进一步增加时，圆形纳米环发生弯曲、折叠，依次形成马鞍状纳米环、V形纳米环，最终形成三角形纳米环。另外，该三角形纳米环在溶液中能稳定存在，且其形成过程可逆，通过调节有机溶剂和水的比例可实现圆形纳米环与三角形纳米环之间的可逆转变。
在向溶液中加水时，疏水的PBLG界面能上升，使得其自组装形成纳米纤维；提高溶液中的水量，导致聚合物分子链收缩产生内部应力，驱动纳米纤维卷曲形成圆形纳米环；继续提高溶液中的水量，使得聚合物链趋向于更紧密堆积，所产生的内部应力促使圆形环变形折叠最终形成三角形结构。在更高的水量下，三角形拓扑结构保持不变。
该工作首次制备得到了形貌均匀的聚合物三角形纳米环，丰富了聚合物纳米环的拓扑形貌；并提出了内应力驱动纳米环拓扑形貌转变的新机理，丰富了聚合物纳米环的形貌调控方法，并为复杂纳米结构的构建提供了新策略。
图片说明：三角形纳米环的制备方法及其结构特点
论文第一作者是华东理工大学博士生杜悦，通讯作者为林嘉平教授、蔡春华教授。该研究得到国家自然科学基金委、上海市优秀学术带头人计划的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202508525