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迄今為止，人類已創(chuàng)造出上億種的化學(xué)物種與物相，涵蓋了周期表中的所有元素。在所有天然的和合成的無生命的材料以及在活的生物體中推動生物進(jìn)程的生物材料，大都是具有多層次結(jié)構(gòu)的凝聚態(tài)物質(zhì)，是凝聚態(tài)化學(xué)（Condensed Matter Chemistry）的研究對象。這里先以固態(tài)為例，其中就包括晶態(tài)、準(zhǔn)晶與非晶固態(tài)、無定形與玻璃態(tài)、介觀固態(tài)（如納米、團(tuán)簇等）、軟物體（soft matter)與生物體中的固態(tài)物質(zhì)等，它們是所有固態(tài)化學(xué)反應(yīng)的主體?；瘜W(xué)性質(zhì)以及相互間的化學(xué)反應(yīng)（包括反應(yīng)條件、過程、機(jī)制、結(jié)果與產(chǎn)物的功能）應(yīng)該主要決定于具有特定組分的基本粒子諸如分子、原子、離子、電子以及由其聚集所構(gòu)成的凝聚態(tài)和多層次結(jié)構(gòu)。比如對于晶態(tài)物質(zhì)，其多層次結(jié)構(gòu)就包括化學(xué)鍵合、晶體結(jié)構(gòu)、多種類型的缺陷與能帶結(jié)構(gòu)、共生結(jié)構(gòu)與共生相、界面與邊界、粒度尺寸等。當(dāng)在特定條件下晶體固態(tài)間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，除了組分間發(fā)生反應(yīng)，固態(tài)中的多層次結(jié)構(gòu)也將發(fā)生變化，以其中的缺陷為例，在高溫下缺陷本身、缺陷與缺陷間、缺陷與組分間往往會發(fā)生一定程度的變化與反應(yīng)，從而影響整體化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行與結(jié)果。

然而直至目前，化學(xué)科學(xué)所描述與研究的內(nèi)容還基本上停留在以分子與理想晶體為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)、合成等，以及它們之間的關(guān)聯(lián)、規(guī)律與理論上。這樣必然無法準(zhǔn)確和全面的描述與認(rèn)識實(shí)質(zhì)上是以凝聚態(tài)為主體的化學(xué)科學(xué)。

在生物世界中，凝聚態(tài)物質(zhì)不僅是構(gòu)建機(jī)體的主體“材料”，而且是生命的運(yùn)載體。從合成材料，到天然和人工高分子材料雖然是一個巨大的進(jìn)步，但是從這些凝聚態(tài)的材料再到生物凝聚態(tài)物質(zhì)則是一個質(zhì)上的飛躍。不過由于生物凝聚態(tài)物質(zhì)的復(fù)雜性，雖然生物學(xué)已經(jīng)展示了它們的面貌和功能；雖然物理學(xué)還試探著從理論上揭示某些規(guī)律，但是對它們的化學(xué)基礎(chǔ)仍處在初步認(rèn)識階段。

因此，我們在“Towards a new discipline of Condensed Matter Chemistry”的短文中曾提出了以由分子、原子、離子等基本粒子組成且具有多層次結(jié)構(gòu)與化學(xué)特征的Condensed Matter為主體建設(shè)“Condensed Matter Chemistry”的設(shè)想。在這篇展望中我們進(jìn)一步將以具有特殊功能與化學(xué)性質(zhì)的晶態(tài)超導(dǎo)與催化材料以及具有不同功能的生物凝聚態(tài)物質(zhì)為例來討論其凝聚態(tài)的多層次結(jié)構(gòu)、特定功能和化學(xué)特性，它們的構(gòu)筑（合成、制備、自組裝與自組織）以及相互間的關(guān)系與規(guī)律，為“凝聚態(tài)化學(xué)”的研究與學(xué)科建設(shè)提供參考的范例與基礎(chǔ)。同時為促進(jìn)與之緊密相關(guān)的材料科學(xué)與生命科學(xué)中的有關(guān)化學(xué)問題的認(rèn)識與交叉領(lǐng)域的發(fā)展提出一些展望。

1. 超導(dǎo)材料

從1911年至1986年，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度由水銀的4.2K提高到了23.22K。1986年1月人們發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到了30K，12月30日，人們又將這一紀(jì)錄刷新為40.2K，而到了1987年1月又升至43K。不久美國華裔科學(xué)家朱經(jīng)武與臺灣物理學(xué)家吳茂昆以及大陸物理學(xué)家趙忠賢開發(fā)出了釔－鋇－銅－氧體系，將超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高到90K以上。1987年底，人們開發(fā)出了鉈－鋇－鈣－銅－氧體系，又把超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的記錄提高到了125K。在1993年，人們開發(fā)出了鉈－汞－銅－鋇－鈣－氧體系，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的記錄又被提高到了138K。2015年，人們發(fā)現(xiàn)在極度高壓條件下(至少150GPa，即150萬標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，硫化氫在203K（-70°C）會發(fā)生超導(dǎo)相變，是目前已知具有最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)體。

高溫超導(dǎo)體包括四大類：90K的稀土系，110K的鉍系，125K的鉈系，和135K的汞系。它們都含有銅和氧，因此也總稱為銅氧基超導(dǎo)體，而釔鋇銅氧（YBCO，YBa2Cu3O7?x(x = 0~1)）體系是第一個超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度超過77K（液氮溫度）的體系，因此也是被研究最多的體系。當(dāng)x?0.15時，該體系的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到最大值92K，呈正交對稱性（orthorhombic），當(dāng)x?0.6時，該體系在任何溫度都不再具備超導(dǎo)性，結(jié)構(gòu)也從正交對稱性轉(zhuǎn)為四方對稱性（tetragonal）。

YBa2Cu3O7的晶胞由三個“擬立方”的鈣鈦礦晶胞組成，晶胞的頂點(diǎn)由Cu原子占據(jù)。在晶胞中存在兩種結(jié)晶學(xué)不等價的Cu原子（Cu(1)和Cu(2)）和四種結(jié)晶學(xué)不等價的氧原子（O(1),O(2), O(3)和O(4)）。YBa2Cu3O7的結(jié)構(gòu)可以看作由Cu-O層和Cu-O鏈構(gòu)成，研究表明Cu-O層和Cu-O鏈在這類材料的超導(dǎo)性質(zhì)中扮演了重要的角色。如果式中的x在0和~0.2之間，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約為90K，當(dāng)x=0.3-0.4，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度會迅速下降并穩(wěn)定在60K左右。當(dāng)x=0.25時，在Cu-O鏈中就會有O原子缺失，出現(xiàn)完整Cu-O鏈和缺失一半O原子的Cu-O鏈交替的情況。當(dāng)x=0.5時，化學(xué)式為YBa2Cu3O6.5，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為45K。此時沿b軸方向是完整的Cu-O鏈（在YBa2Cu3O7中也存在），但該Cu-O鏈同O(4)位置的O完全缺失的Cu-O鏈交替（在YBa2Cu3O6中O(4)位置的O完全缺失）。

在釔鋇銅氧超導(dǎo)體的制備過程中需要高溫?zé)Y(jié)。研究表明該超導(dǎo)體的含氧量隨著燒結(jié)溫度的升高而降低，而這些逃逸的O均來自位于(0,1/2,0)的O(4)。同步中子粉末衍射分析表明隨著燒結(jié)溫度的升高，在(1/2,0,0)的位置會出現(xiàn)O原子（記為O(5)），該位置逐漸被O原子填充，發(fā)生O遷移，而當(dāng)O(4)和O(5)的占有率相等時，晶體結(jié)構(gòu)的對稱性就會從正交變?yōu)樗姆?。對于x<0.5的情況，晶體結(jié)構(gòu)的空間群是正交的Pmmm，此時O(4)和O(5)位置的占有率不相等，當(dāng)x=0時，O(4)的位置全部被O原子占據(jù)而O(5)位置則全空。

釔鋇銅氧的晶體結(jié)構(gòu)從正交向四方轉(zhuǎn)變的溫度依賴于燒結(jié)時氧氣的分壓。當(dāng)氧氣的分壓為1個大氣壓時，轉(zhuǎn)變溫度~700°C，如果氧氣的分壓降低，該轉(zhuǎn)變溫度也會降低。在發(fā)生結(jié)構(gòu)相變時O的計(jì)量比總是約等于0.5（即x≌ 0.5），因此正交相的x為0￡x <0.5而四方相的x為0.5< x￡ 1.0。

在研究釔鋇銅氧中的氧含量和其超導(dǎo)性質(zhì)的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，對于正交相其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc隨著O原子從材料中逸出而降低，當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)從正交相向四方相的轉(zhuǎn)變完成后，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度就變?yōu)?。對于具有四方對稱性的釔鋇銅氧，在任何組成條件下都沒有超導(dǎo)性質(zhì)。

已有多種方法制備釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)體，包括固相反應(yīng)合成法、化學(xué)共沉淀法、溶膠-凝膠法、熱分解法、水熱法、熔化法和熱壓燒結(jié)法等。盡管方法各有不同，但通常都包括初始原料的均勻混合、高溫?zé)Y(jié)（同時脫氧）和冷卻吸氧過程，期間會發(fā)生相變和氧遷移。在脫氧時，一部分氧原子逃逸出晶態(tài)材料，一部分氧原子遷移到O(5)的位置，正交相的成分減少，四方相的成分增加，當(dāng)O(4)和O(5)的占有率相等時，晶體結(jié)構(gòu)的對稱性就會從正交變?yōu)樗姆?，不再具備超?dǎo)性質(zhì)。脫氧和吸氧都發(fā)生在O(4)和O(5)的位置，導(dǎo)致晶態(tài)材料的組成發(fā)生非計(jì)量的連續(xù)變化，形成了豐富的多層次凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)和相結(jié)構(gòu)。晶態(tài)材料的高溫超導(dǎo)性質(zhì)則決定于這些凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)和相結(jié)構(gòu)。

2. 催化材料

2.1 沸石分子篩與多孔催化材料

自上世紀(jì)中葉，具有規(guī)整微孔（3~20?）結(jié)構(gòu)（孔道與窗口的尺寸、孔道的維數(shù)、形狀與走向等）的沸石（Zeolites，硅鋁酸鹽）分子篩催化與吸附分離材料進(jìn)入煉油工業(yè)以來，已在石油煉制與加工工業(yè)、煤化工、精細(xì)化工直至制藥化工等工業(yè)催化與吸附分離方面得到了極廣泛的應(yīng)用。且在沸石微孔催化材料的基礎(chǔ)上，近幾十年來又連續(xù)開發(fā)出了介孔、大孔、金屬有機(jī)骨架（MOF）與純有機(jī)多孔骨架（COF）等一系列的多孔催化與吸附材料，已成為目前催化工業(yè)中最重要的晶態(tài)催化材料，主要原因是晶態(tài)中具有多種類型與結(jié)構(gòu)的規(guī)整微孔孔道與不同強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)的B-酸與L-酸以及氧化-還原活性中心。幾十年的研究積累與近期對大數(shù)據(jù)的利用，對晶態(tài)多孔催化材料中的功能—孔道與活性中心結(jié)構(gòu)—構(gòu)筑間關(guān)聯(lián)的規(guī)律有了比較深入的研究與了解，且為固態(tài)功能構(gòu)筑工程學(xué)的建設(shè)提供了重要的基礎(chǔ)。近期的進(jìn)展是在以往眾多研究結(jié)果以及近期發(fā)展的先進(jìn)表征技術(shù)的研究基礎(chǔ)上從科學(xué)上總結(jié)且提出的：晶態(tài)多孔材料其催化功能不僅決定于孔道與活性中心結(jié)構(gòu)，且與晶化過程與修飾過程中形成的多孔晶態(tài)中的其它層次結(jié)構(gòu)有關(guān)，諸如缺陷與空穴、共生結(jié)構(gòu)與共生相、晶面排列與晶格畸變，以至Al的存在狀態(tài)等等，這些結(jié)構(gòu)的形成將影響孔道，特別是固態(tài)酸的強(qiáng)度與位置，從而影響催化反應(yīng)的進(jìn)行與結(jié)果，這些都為特定催化功能（活性、選擇性與反應(yīng)產(chǎn)物等）需求的多孔催化材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與定向構(gòu)筑提出了新方向。

2.2 單點(diǎn)催化材料（Single-site Catalysts）

隨著催化工業(yè)的發(fā)展，為了提高固態(tài)催化材料的效率與應(yīng)用范圍，在開拓與應(yīng)用納米態(tài)催化材料的同時，更進(jìn)一步開拓出了以具有催化性能的原子、原子簇、分子與官能團(tuán)（Functional Groups）等為主體的且通過精準(zhǔn)的制備途徑，使其以單一活性中心分散且錨定在具有特定結(jié)構(gòu)的2D納米網(wǎng)結(jié)構(gòu)的二維化合物上，成為一大類單點(diǎn)催化材料。上述凝聚態(tài)的變化即從固態(tài)發(fā)展成納米介觀態(tài)再發(fā)展成單點(diǎn)分散態(tài)大大提高了其催化效率。人們還進(jìn)一步選擇了2D納米網(wǎng)作為催化母體，且設(shè)計(jì)與研究其組成與結(jié)構(gòu)，諸如納米網(wǎng)中的缺陷、電子與能帶結(jié)構(gòu)，以及粒度等，進(jìn)一步研究納米網(wǎng)與單點(diǎn)活性中心的組成、結(jié)構(gòu)間的關(guān)系與相互作用，使單點(diǎn)催化劑發(fā)揮協(xié)同、互補(bǔ)的催化功能，進(jìn)一步提高催化效率與應(yīng)用范圍。近二十年來以多種二維化合物與石墨烯為代表研究其組成與類型，結(jié)構(gòu)與催化性能互補(bǔ)，以及應(yīng)用范圍的擴(kuò)大等科學(xué)問題，且得到了很大的發(fā)展，對推動催化科學(xué)的發(fā)展起到了重要的作用。目前已成為現(xiàn)代催化科學(xué)中的一個重要方向。

2.3 光催化材料與電催化材料

近期的進(jìn)展是利用不同的“Defect Engineering（缺陷態(tài)調(diào)控）”精準(zhǔn)制備路線，在凝聚態(tài)光催化材料的表面形成特殊電子與能帶結(jié)構(gòu)的缺陷，在可見光或其它波段的光輻照活化下，使反應(yīng)物在缺陷中進(jìn)行化學(xué)吸附并進(jìn)一步活化，從而推動催化反應(yīng)的進(jìn)行。近年來，有一些代表性的工作，一個例子是以少量Mo摻雜（<1mol%）的W18O49納米管作為光催化材料，在室溫下 Mo5+ 摻入 W18O49 的納米管表面使摻雜缺陷的生成，這些缺陷既可化學(xué)吸附 N2分子，又能使 N2 分子活化，既可作為反應(yīng)的活性中心，又由于“缺陷帶中心”（或可稱為雜質(zhì)帶中心）的生成，可大大降低光活化電子從“缺陷帶中心”轉(zhuǎn)向N2中的反鍵π軌道的能量從而非常有利于 N≡N 斷裂與還原而產(chǎn)生NH3，反應(yīng)過程見下圖。

另一個方法是以表面具有大量氧空位的TiO2作為催化劑，以N2與液態(tài)H2O為原料，在室溫下用精準(zhǔn)合成技術(shù)制備出NH3。

在紫外光的輻照下表面氧空位中Ti3+作為活性中心進(jìn)行下列反應(yīng)：

獲得相當(dāng)高的合成NH3的催化效率。近年來以具有特定表面缺陷的光催化材料的報導(dǎo)屢見不鮮。同時，以特定技術(shù)如刻蝕、摻雜等，精準(zhǔn)制備與修飾催化材料界面的缺陷，通過影響例如電子與能帶結(jié)構(gòu)，改變界面電場，有效的改變反應(yīng)體系的能量，降低反應(yīng)活化能，來提升電催化材料的催化效率和功能的相關(guān)研究也得到很大的發(fā)展。相關(guān)應(yīng)用諸如以本征缺陷電催化碳材料用于ORR（氧還原）催化反應(yīng)，金屬氧化物則廣泛應(yīng)用于OER（析氧）反應(yīng)等等。固態(tài)中“Defect Engineering（缺陷調(diào)控）”已成為晶態(tài)微結(jié)構(gòu)制備的一個新方向。單點(diǎn)催化材料與晶態(tài)缺陷光催化與電催化材料的發(fā)展對凝聚態(tài)化學(xué)的貢獻(xiàn)不僅局限在推動凝聚態(tài)微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)制備及缺陷化學(xué)與晶態(tài)催化功能的關(guān)聯(lián)上，更重要的是上述晶態(tài)催化材料在推動極難轉(zhuǎn)化的氣體小分子諸如CO、CO2、CH4低級烴類與烯類以及N2、H2等等的催化轉(zhuǎn)化上取得了愈來愈多的重大進(jìn)展。

在生物體內(nèi)到處都是由生物大分子（蛋白質(zhì)、核酸、多糖以及較小的磷脂等）構(gòu)成的各種不同生物凝聚態(tài)物質(zhì)(Biological Condensed Matter, BCM）。一種大分子可以以不同凝聚態(tài)存在，表現(xiàn)不同的生物效應(yīng)。在正常狀態(tài)下參與生理作用；而在異常狀態(tài)下，凝聚態(tài)的形成與改變會成為病理或毒理過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一種生物分子還可能在不同部位處于不同凝聚態(tài)，發(fā)揮不同作用。在BCM中，有些是構(gòu)成細(xì)胞和組織的構(gòu)件；有些參與構(gòu)建細(xì)胞外基質(zhì)；還有些則結(jié)合在生物膜中發(fā)揮受體、通道、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、生成和傳遞信號的作用；還有些細(xì)胞的分泌物涂敷在腔管粘膜表面起屏蔽和保護(hù)作用。這些BCM與無機(jī)物的凝聚態(tài)在構(gòu)成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上有本質(zhì)上的差異，而這些差異是生命過程運(yùn)作的基礎(chǔ)，也會成為影響健康的問題。BCM的一般特性可以概括如下：

 1. 不同的生物分子通過自組織作用構(gòu)成具有不同高級結(jié)構(gòu)的BCM，執(zhí)行不同的功能。BCM的形形色色的多層次高級結(jié)構(gòu)是由生物分子通過動態(tài)自組織過程形成的。生物自組織與化學(xué)的自組裝不同，它們是在一個多分子體系中，在信號指令、輔助因子指導(dǎo)，自控自限下，進(jìn)行選擇性的結(jié)構(gòu)構(gòu)建的結(jié)果。由此形成各種不同的模式(pattern)，表現(xiàn)相應(yīng)的生物功能（11）。這是一個從本來無序體系中形成時空有序結(jié)構(gòu)的過程，因此需要消耗能量來維持。在體內(nèi)ATP是維持這些耗散結(jié)構(gòu)的主要能源。在外環(huán)境或外來物質(zhì)的刺激下，上述過程的失控引起的病理、毒理變化也與大分子凝聚態(tài)改變有關(guān)。    

2. 大多數(shù)BCM具有復(fù)雜軟物質(zhì)的特征，包括粘彈性、形狀易變、對機(jī)械力敏感、存在液晶和溶膠/凝膠等狀態(tài)等等（12）。這是一大類特殊的超分子組裝體。無機(jī)凝聚態(tài)的性質(zhì)和行為大體上可以從分子（離子）構(gòu)成的晶格來推測，生物軟物質(zhì)則不能。生物軟物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和行為主要是由分子間非共價相互作用造成，這又與大分子的構(gòu)象以及分子間的互補(bǔ)有關(guān)。在其中，大分子的構(gòu)象易變性、柔性、可移動性以及各種分子間相互作用都對BCM特性有貢獻(xiàn)。

3. 因?yàn)樵谏矬w內(nèi)，BCM都在含水介質(zhì)中起作用，它們的結(jié)構(gòu)（如蛋白質(zhì)折疊）和反應(yīng)性受周圍溶液中的分子的影響；而反過來，鄰近分子也會影響它們的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性。因此，研究一組反應(yīng)時，溶液中包括不同BCM在內(nèi)的各種化學(xué)物種構(gòu)成反應(yīng)背景，它影響反應(yīng)的進(jìn)行以及后續(xù)產(chǎn)生的事件。細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液中的大分子的高濃度和生物膜中蛋白質(zhì)的高密度所產(chǎn)生的擁擠效應(yīng)(crowding effect)使BCM的背景效應(yīng)不同于稀溶液體系中的背景效應(yīng)。而且對生物體系來說，這種擁擠效應(yīng)還因細(xì)胞內(nèi)空間的隔室化和細(xì)胞外基質(zhì)的簇集所產(chǎn)生的限制效應(yīng)(confinement)所加強(qiáng)。擁擠效應(yīng)加上限制效應(yīng)不僅影響大分子構(gòu)象和水的溶劑性質(zhì)，還改變局部濃度、反應(yīng)物擴(kuò)散速率，決定在不同反應(yīng)物間的競爭以及在多分子體系中的反應(yīng)特異性。

4. 生物界面可以看作是BCM參與的化學(xué)反應(yīng)和生物學(xué)事件的最重要的舞臺。這包括細(xì)胞與骨、牙、體內(nèi)植入物等固體表面之間、細(xì)胞與納米顆粒之間、細(xì)胞與生物液體之間、細(xì)胞與細(xì)胞之間等等的界面。在界面上啟動和進(jìn)行的相互作用通常都是通過多條途徑進(jìn)行，并引起細(xì)胞響應(yīng)以及接觸物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)的變化。不同的細(xì)胞有不同結(jié)構(gòu)和功能；它所接觸的物質(zhì)也有不同的理化性質(zhì)，因此會產(chǎn)生各種不同的生物效應(yīng)。例如當(dāng)細(xì)胞貼附在無機(jī)固體表面時，它們可能一方面啟動一系列生物學(xué)事件（如引起細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)，促進(jìn)細(xì)胞的增殖、分化和凋亡等等），一方面在界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，包括無機(jī)物的溶解、轉(zhuǎn)化、再沉積等等。固體表面的的化學(xué)組成，理化性質(zhì)（包括形貌學(xué)）在上述過程中常常起一定作用。如果細(xì)胞接觸的是微粒，顆粒的尺寸會決定細(xì)胞響應(yīng)和后續(xù)的生物事件。納米尺寸的微粒有可能被細(xì)胞內(nèi)吞，也可能貼附在細(xì)胞表面引起不同的效應(yīng)。而較大的顆粒則會通過吞噬進(jìn)入細(xì)胞，在溶酶體中溶解，再釋放，對細(xì)胞造成損傷。

下面的例子可以說明BCM的特征。

[血漿] 血漿可以看作是血細(xì)胞在血清蛋白濃溶液中的懸浮液。由于血液要順利地通過血管，特別是毛細(xì)血管，它的流變學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要。血液的流變學(xué)性質(zhì)主要是由于蛋白的濃度較高，表現(xiàn)軟物質(zhì)性質(zhì)以及細(xì)胞的容易變形。而后者主要?dú)w功于可伸縮的膜骨架和細(xì)胞骨架和細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)（紅細(xì)胞中的高濃度的血紅蛋白）產(chǎn)生的擁擠效應(yīng)。

[粘液] 附著在呼吸道、消化道、生殖系統(tǒng)粘膜上的粘液主要是一種由粘蛋白的線性同聚物微絲自組裝成的具有粘彈性的篩形3D網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。它的功能是一方面作為表面的屏障保護(hù)下面的組織，清除有害的病原體；另一方面保證營養(yǎng)物質(zhì)通過。不過，有時某些病原體能夠穿過粘膜層貼附在組織表面，這時病原體會招募更多的病原體，聚集成為菌落。這些菌落又會分泌表多糖，由表多糖的線性同聚物構(gòu)建細(xì)菌自己的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。這樣就在表面形成所謂的菌膜。菌膜的形成是導(dǎo)致致命性細(xì)菌耐藥性的原因之一，也是危害環(huán)境的重要問題。粘膜與病原菌之間的攻防戰(zhàn)是生物界面上的化學(xué)反應(yīng)和生物學(xué)事件的具體體現(xiàn)。

[漿膜-細(xì)胞骨架復(fù)合體] 這個復(fù)合體是一大類具有類流體的軟物質(zhì)特性的凝聚態(tài)物質(zhì)。它們是柔性的細(xì)胞膜與相對剛性的細(xì)胞骨架連接在一起的巧妙的“建筑物”。在維持細(xì)胞尺寸和形貌以及細(xì)胞的運(yùn)動和功能等方面起關(guān)鍵作用。生物膜主要是由磷脂雙層和嵌入其中的各種蛋白所構(gòu)成。分子間的弱相互作用以及生物分子的構(gòu)象易變和移動性賦予生物膜的柔性和對外界刺激的應(yīng)變能力。而且不同的膜蛋白造成生物膜的異質(zhì)性，并使它具有多種靶點(diǎn)。不同刺激物選擇性地結(jié)合不同靶點(diǎn)起不同的作用。因此在膜上表現(xiàn)各種有特異性的功能。細(xì)胞骨架與漿膜的類流體不同，是由微絲、微管、中間微絲構(gòu)建起來的相對剛性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它們都是由相應(yīng)的單體蛋白通過自組織過程構(gòu)建的有序而處于動態(tài)的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。例如單體蛋白G-肌動蛋白通過頭尾締合形成線性聚合物，然后組織成為微絲網(wǎng)絡(luò)。細(xì)胞骨架的形成和伸縮需要能量，所以是在NTP(對微管是GTP）水解釋放產(chǎn)生的能量推動下，在馬達(dá)蛋白（如肌漿球蛋白）的指導(dǎo)下進(jìn)行的。微絲的定向可伸縮性在細(xì)胞分裂，細(xì)胞運(yùn)動以及細(xì)胞對環(huán)境因子的響應(yīng)等起重要作用。雖然在溶液中也可以模擬單體蛋白締合，但是目前還不能模擬通過自組織形成細(xì)胞骨架的類似結(jié)構(gòu)。

[胞質(zhì)]  一般來說，所有細(xì)胞的胞質(zhì)都是凝膠樣的液體，含有蛋白質(zhì)和一些其他生物大分子以及小分子和離子。因?yàn)榘|(zhì)內(nèi)蛋白濃度很高，而且被局限于細(xì)胞器間和骨架基質(zhì)空隙之中，因此分子的擁擠加上空間限制會影響分子間的吸引和排斥作用以及不同構(gòu)象的相對穩(wěn)定性。這個特殊的環(huán)境還影響分子和離子的擴(kuò)散速率，建立局部濃度，改變水的溶劑性質(zhì)。這些因素決定反應(yīng)速率、反應(yīng)機(jī)制，還決定在一個多分子體系中的分子間的競爭，決定最終結(jié)果。例如微絲網(wǎng)絡(luò)的形成就是在分子擁擠和空間局限的胞質(zhì)中進(jìn)行的?？梢娫诖蠖鄶?shù)體內(nèi)的反應(yīng)體系都是非理想的，不能從沒有擁擠效應(yīng)和限制效應(yīng)的稀溶液實(shí)驗(yàn)結(jié)果外推到生物體系。還值得注意的是在一定情況下生物大分子的凝聚態(tài)轉(zhuǎn)變和異常凝聚態(tài)的形成，如成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)的無膜細(xì)胞器（membraneless organelles）以及與一些病理過程有密切關(guān)系的蛋白凝聚物（protein condensate）和應(yīng)激顆粒（stress granules）。

[生物礦化] 是一類在生物體內(nèi)進(jìn)行的更為復(fù)雜的過程。通過這個過程產(chǎn)生難溶金屬鹽固相與蛋白質(zhì)等形成的基質(zhì)有序結(jié)合的復(fù)合材料。對人體來說，最重要的是以鈣磷酸鹽（主要是參雜有碳酸根的羥基磷灰石）為礦物相的硬組織（骨和牙等）。它們是磷酸鈣鹽的形成與細(xì)胞外基質(zhì)的形成平行進(jìn)行相互配合的產(chǎn)物。表現(xiàn)為正常的生理鈣化（骨和牙的生長和再構(gòu)）和病理鈣化與脫鈣，如在某些組織中發(fā)生的異位鈣化（如血管鈣化）和硬組織的鈣丟失（如齲齒）。從化學(xué)角度看，鈣離子與磷酸根間的反應(yīng)是一個熱力學(xué)推動的可逆反應(yīng)：從形成離子簇開始，然后變成無定形磷酸鈣，經(jīng)過成核、成長最后形成穩(wěn)定的羥基磷灰石晶體。與之不同，動物體內(nèi)的生物鈣化形成硬組織是一個生物過程。第一，磷灰石晶體的沉淀和溶解（鈣化和脫鈣）是在細(xì)胞與骨的界面上進(jìn)行的兩個相反的生物過程。破骨細(xì)胞貼附在骨表面釋放氫離子造成脫鈣；與之同時，貼附在骨表面的成骨細(xì)胞造成鈣化。第二，在骨和牙中的磷灰石晶體是有序沉積在細(xì)胞外基質(zhì)中的。第三，成骨細(xì)胞一方面分泌基質(zhì)，一方面把磷灰石的晶體有序的沉積在基質(zhì)中。所以基質(zhì)形成與鈣化是同步進(jìn)行的。第四，成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞相互配合推動骨再造與周轉(zhuǎn)，保持骨骼的健康與功能。長時間以來，人們模擬硬組織的組成和結(jié)構(gòu)，研究骨移植替代物，而且有不少合成移植骨已經(jīng)商業(yè)化并在臨床使用。但是如此設(shè)計(jì)制造的骨替代物多數(shù)是有利于骨細(xì)胞貼附的支撐物(scaffold)。距離模擬生物過程還有很多工作要做。除鈣化以外，實(shí)際上難溶于水的金屬磷酸鹽都有可能在很多器官和組織內(nèi)與蛋白質(zhì)結(jié)合以生物納微米顆粒形式沉積。這微粒有的是在體內(nèi)環(huán)境中形成的，有的是環(huán)境中的微粒在體內(nèi)經(jīng)過轉(zhuǎn)化的。這些微粒大都結(jié)合有蛋白等有機(jī)分子具有復(fù)雜的組成和結(jié)構(gòu)。沉積在細(xì)胞表面可能誘導(dǎo)疾病發(fā)生。近年來越來越關(guān)注與鈣離子相似的稀土磷酸鹽在組織內(nèi)沉積所引起的病理過程。首先發(fā)現(xiàn)釓基成像劑引起的腎源性系統(tǒng)纖維化與磷酸釓微粒在皮下和某些器官的組中沉積有關(guān)。其后又注意到在腦組織某些區(qū)域內(nèi)的磷酸釓沉積，再一次引起人們對稀土的神經(jīng)毒性的關(guān)注。最近報告大氣中的含鐵微粒經(jīng)呼吸道可以到達(dá)腦組織，在腦內(nèi)可見磁性氧化鐵微粒的沉積。實(shí)際上，我們對這些體內(nèi)微粒的化學(xué)了解甚少。對它們的形成、組成和結(jié)構(gòu)以及如何與細(xì)胞作用還有待進(jìn)一步研究。   

在這篇展望中，我們以晶態(tài)的超導(dǎo)與催化材料和復(fù)雜的生物凝聚態(tài)為例，希望從凝聚態(tài)的功能、化學(xué)性質(zhì)與反應(yīng)，以及與之緊密相聯(lián)的凝聚態(tài)的組成與多層次結(jié)構(gòu)為主體，討論它們的合成、制備、自組裝與自組織為主的構(gòu)筑化學(xué)。預(yù)期從對生物凝聚態(tài)的構(gòu)筑、結(jié)構(gòu)與生物學(xué)行為的化學(xué)基礎(chǔ)研究獲得啟發(fā)，有助于從凝聚態(tài)的特點(diǎn)去認(rèn)識環(huán)境中和生物體內(nèi)的變化，探索干預(yù)的途徑。這樣可以比以往以分子層次為主的化學(xué)研究更全面、更準(zhǔn)確的來認(rèn)識物質(zhì)以至生命的化學(xué)問題。為進(jìn)一步研究凝聚態(tài)化學(xué)中功能-結(jié)構(gòu)-構(gòu)筑間的關(guān)聯(lián)規(guī)律與相關(guān)理論，從而為建設(shè)“凝聚態(tài)化學(xué)”提供基礎(chǔ)與研究方向。進(jìn)一步的展望是以物質(zhì)的功能為導(dǎo)向進(jìn)行凝聚態(tài)多層次結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)，并在結(jié)構(gòu)-構(gòu)筑間關(guān)聯(lián)規(guī)律研究的基礎(chǔ)上再通過大數(shù)據(jù)的挖掘研究，開發(fā)設(shè)計(jì)定向構(gòu)筑路線，為建設(shè)凝聚態(tài)工程科學(xué)提供與積累基礎(chǔ)，展示出凝聚態(tài)化學(xué)發(fā)展與科學(xué)延伸的美好前景。同時將希望推動化學(xué)與相鄰的材料科學(xué)、生命科學(xué)間的等新交叉學(xué)科生長點(diǎn)與新研究領(lǐng)域的發(fā)展以及合成科學(xué)與表征技術(shù)的進(jìn)步。

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https://doi.org/10.1093/nsr/nwy128