【神奇的莫比乌斯环】
莫比乌斯带（德语：Mbiusband），又译梅比斯环、莫比乌斯环或麦比乌斯带，是一种只有一个面（表面）和一条边界的曲面，也是一种重要的拓扑学结构。它是由德国数学家、天文学家莫比乌斯和约翰·李斯丁在1858年独立发现的。这个结构可以用一个纸带旋转半圈再把两端粘上之后轻而易举地制作出来。事实上有两种不同的莫比乌斯带镜像，他们相互对称。如果把纸带顺时针旋转再粘贴，就会形成一个右手性的莫比乌斯带，反之亦类似。
莫比乌斯带本身具有很多奇妙的性质。如果从中间剪开一个莫比乌斯带，不会得到两个窄的带子，而是会形成一个把纸带的端头扭转了两次再结合的环。如果你把带子的宽度分为三分，并沿着分割线剪开的话，会得到两个环，一个是窄一些的莫比乌斯带，另一个则是一个旋转了两次再结合的环。
【莫比乌斯环何以再登Nature子刊】
研究表明，具有特殊空间结构的莫比乌斯环不仅在数学拓扑领域具有重要平地位，在分子，超分子层面也赋予微观体系特殊的性质。并且由于这种特殊的结构通常处于亚稳态，微观尺度上构筑这种特殊的拓扑结构具有一定的挑战性。2019年，华中科技大学朱锦涛教授和清华大学杨振忠教授研究团队合作利用溶液组装的方法构筑了基于嵌段共聚物的莫比乌斯环，登上《自然·通讯》杂志。最近，中国科学院化学研究所刘鸣华教授及德国维尔茨堡大学的Frank Würthner教授通过利用超分子超分子化学的方法，基于手性谷氨酸分子构筑了莫比乌斯环及具有可控手性的纳米环状组装体。通过加热-冷却过程，谷氨酸化合物形成扭曲的纳米纤维，同时调控pH会诱导纤维弯曲环化。该工作以：Self-assembled Mbius strips with controlled helicity发表在国际知名期刊《Nature Communication》上。
【环化策略及组装方法】
芳香基团功能化的谷氨酸通过双层堆叠作用产生具有手性扭曲的纳米结构，同时由于谷氨酸的pH响应性以及离子化过程，扭曲的纳米结构可通过pH进行调控。扭曲的纳米纤维通过进一步的拉伸，使其末端环化从而形成环状组装体，相关形成过程及扭曲方向百分数如图2所示。
Figure 1. 自组装策略构建莫比乌斯环及手性椭圆结构。
Figure 2. 莫比乌斯环的形成过程的SEM图及相关统计数据。
【莫比乌斯环手性表征】
如图3所示，手性莫比乌斯环结构可清楚的由SEM表征。根据图3标注的路径可分辨出其组装结构。由于目前对莫比乌斯环的手性调控方面鲜有报道，基于手性分子的手性传递现象，作者合成了右旋的谷氨酸。通过组装过程，得到了具有右旋的莫比乌斯环，环状的手性由圆二色谱确定如图4所示。同时作者发现如果将具有右旋与左旋的谷氨酸以1:1的摩尔比混合，则得到没有手性的纳米结构。该过程进一步证实了超分子组装可构建手性莫比乌斯环。
Figure 3. 手性莫比乌斯环的分析确认。
Figure 4. 两亲性组装体的光谱分析。
【计算机理论模拟及实验】
作者提出手性莫比乌斯环是由手性分子双层叠加扭曲形成纳米纤维，进一步环化形成。为进一步证实作者的猜想，作者通过分子动力学模拟揭示了环化机理。作者通过计算表及构建了一个HA -/H 2A双层层状结构。通过模拟过程，该层状结构的平衡态构象如图5所示。该结构的弯曲和手性扭曲同时发生，HA -分子指向曲面的外侧，而H 2A指向曲面内侧。该模拟结果成功揭示了谷氨酸如何在较高的pH下扭曲形成手性环状的现象。
Figure 5. 分子动力学模拟及数学分析。
【小结】
作者通过自组装策略成功制备了宏观具有手性的莫比乌斯环，并且莫比乌斯环的手性完全由分子的手性决定。该方法的构建也为制备具有其他功能的超分子材料提供了思路，例如作者以莫比乌斯环为模板制备了具有荧光的手性环。作者坚信通过该实验和理论的结合可为制备具有更加复杂拓扑结构的手性材料提供支撑。
来源：高分子科学前沿
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