近日，我校化学与分子工程学院费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心费林加、曲大辉、顾睿锐团队在非平衡化学领域的研究取得重要进展，相关研究成果以“A Light-Driven Constitutional Pump”为题，发表于《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc., 2026, doi.org/10.1021/jacs.6c11812）。
非平衡态是生命抵抗熵增、维持有序结构与功能的热力学基础。动态共价化学基于可逆键交换构建自适应反应网络，其非平衡态的构筑与调控，是模拟生物分子机器在时间、空间、组分等多维度非平衡特征，并进一步创制“类生命”智能材料的关键。动态共价化学非平衡态是指在外部能量驱动下动态共价反应平衡发生定向移动的状态。不同于传统双稳态体系，该状态在能量输入停止后可自发弛豫并回复至热力学平衡态，从而展现出类似生命体系的能量耗散行为。在分子尺度上，动态共价化学非平衡态通常可通过引入驱动反应，构筑具有动力学不对称性的反应网络，并利用网络正、逆循环过程中的动力学差异，驱使体系远离平衡。然而，该领域长期面临的核心挑战在于，如何建立一种有效策略以最大化这种动力学差异，从而显著提升体系的非平衡度，并实现远离平衡、可用于智能材料构筑的功能性非平衡态。
针对上述科学问题与挑战，费林加教授、曲大辉教授、顾睿锐副教授团队与法国斯特拉斯堡大学Jean-Marie Lehn教授课题组合作，提出了一种分子机器新概念—“光驱动组分泵”。该体系通过动态共价反应与光异构反应协同，构建一条快速、单向的级联反应路径，构建动力学高度不对称性，突破微观可逆性限制，实现动态共价反应远离平衡态高效构筑与维持。该“组分泵”的快速性与单向性来源于一种由极性烯烃与二芳基乙烯耦合而成的核心双动态分子Kn-o：一方面，该分子在光照下产生高能光异构体（反应ii），进而驱动不可逆共价交换反应（反应iii）；另一方面，极性烯烃的推拉电子效应使体系产生显著的吸收带分离，从而通过“光门控效应”实现单向开环反应（反应iv）。上述过程共同建立起级联反应路径，形成光驱动组分泵。该组分泵与体系本征动态共价反应（反应i）共同构成分子棘轮，定向驱动反应i远离热力学平衡。试验结果表明，在光照驱动下，该体系的非平衡稳态反应熵QNESS（80.0）相较于平衡态Keq(2.7)提升达到28倍；撤去光照后，体系缓慢弛豫回复至初始平衡态，并能够实现多次“非平衡态-平衡态”循环，体现出类似生命体系的能量耗散特征。该研究提出的“组分泵”概念，为构筑高度非平衡的动态共价系统提供了全新思路，有望为动态共价非平衡态的功能化调控，以及类生命非平衡物质和智能材料的开发提供新的方法与理论基础。
该研究第一作者为博士研究生李翀、伍慧萍博士，论文通讯作者为曲大辉教授、费林加教授、Jean-Marie Lehn教授、顾睿锐副教授，研究工作得到了田禾院士的悉心指导。该研究成果得到国家自然科学基金、上海市科学技术委员会、中国石油科技创新基金等项目的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c11812
