近日，香港科技大学、香港中文大学及湖南工商大学研究团队在Matter上发表研究论文，提出了一种基于“构象多重性效应”的分子设计策略。该研究通过系统调控四苯基乙烯（TPE）核心上苯环的数量，成功实现了超分子两性离子聚合物（SZIPs）在晶态、凝胶态和无定形态之间的选择性构筑。研究揭示了分子构象多重性与聚集体宏观有序度之间的内在关联，并利用TPE核心的本征荧光实现了凝胶化过程的实时原位监测。此外，所开发的SZIP凝胶作为水系锌离子电池的阳极保护层，展现出超过8000小时的优异循环稳定性。该工作为功能超分子材料的精准设计与实时可视化研究提供了全新范式。
2026年7月6日，该论文以“The Conformational Multiplicity Effect: Dictating Graded Order in Supramolecular Zwitterionic Polymers”为题发表在 Matter上。通讯作者为香港中文大学及香港科技大学的唐本忠教授、湖南工商大学的邓奇副研究员，及香港科技大学的林荣业教授。
研究背景：从“双组分”到“单组分”的范式转变
超分子离子聚合物（Supramolecular Ionic Polymers, SIPs）凭借离子相互作用的高强度与动态可逆性，在生物医学、能源存储和化学工程等领域展现出广阔应用前景。然而，传统SIPs通常依赖于阴离子和阳离子两种单体的共组装，这种“双组分”策略不仅合成路线复杂，且异质结构严重阻碍了构效关系的深入研究。
面对这一挑战，研究团队提出了一种“化繁为简”的解决思路——采用单一组分的两性离子（zwitterionic）单体，将正负电荷基团集成于同一个分子骨架中。这一设计不仅大幅简化了超分子聚合物的构筑过程，更使得精确调控聚合物的微观结构和宏观形貌成为可能（图1）。
图1 双组分策略与单组份策略对比，及“构象多重性效应”示意图。
核心创新：“构象多重性”决定聚集体有序度
该研究的核心突破在于揭示了“构象多重性效应”（Conformational Multiplicity Effect） 对超分子自组装路径的决定性作用。研究团队以具有聚集诱导发光（AIE）特性的四苯基乙烯（TPE）为核心骨架，设计合成了三种苯环数量递增的两性离子单体：TPE-NS（4个苯环）、TPE-NPS（6个苯环）和TPE-PNPS（8个苯环）。
密度泛函理论（DFT）计算表明，随着苯环数量的增加，分子的热力学稳定构象数量（Nconf）呈指数级增长：TPE-NS的Nconf为21=2，TPE-NPS为23=8，TPE-PNPS为2?=32（图2）。这一“构象多重性”的差异，直接决定了分子在聚集过程中的行为（图3）：
低构象多重性（Nconf=2） ：分子易于采取单一低能构象，形成高度有序的晶态聚集体；
中等构象多重性（Nconf=8） ：分子难以形成完美晶体，但可在特定条件下构筑具有三维网络结构的凝胶态；
高构象多重性（Nconf=32） ：分子几乎无法维持统一的低能构象，最终形成非晶态沉淀。
这一发现从分子层面建立起了“结构-构象-形貌”的完整调控链条，为超分子材料的精准设计提供了明确的理论指导。
图2基于构象多重性效应，选择性构筑具有不同形貌的超分子两性离子聚合物。
图3不同形貌SZIPs的选择性构筑。
实时荧光监测：看得见的凝胶化过程。
得益于TPE核心的AIE特性，三种单体在溶液中均呈现弱荧光，而在聚集状态下荧光显著增强。研究团队巧妙地利用这一特性，实现了对自组装过程的实时原位荧光监测。
实验发现，在向硫酸溶液中逐步滴加水（不良溶剂）的过程中，TPE-NPS体系在含水量超过50%时开始发生聚集，伴随着荧光强度的显著增强和发射峰从493 nm到469 nm的蓝移。这一荧光蓝移现象尤为引人注目——团队通过分子动力学（MD）模拟和DFT计算揭示了其微观机制：聚集过程中，磺酸根与铵根离子对的形成减少了抗衡离子的配位数，削弱了发色团周围的极性微环境，从而使HOMO-LUMO能隙从3.63 eV扩大至3.81 eV，最终导致荧光蓝移（图4-5）。
图4分子从溶液态到聚集态的聚集行为。
进一步地，作者利用这一荧光信号变化，成功实现了对凝胶化全过程的实时可视化追踪——从溶液态到凝胶态的转变过程中，体系荧光从浅蓝色逐步演变为深蓝色，直观地反映了水分子逐步扩散、分子有序组装直至形成三维网络结构的完整动力学过程。
图5不同单体的差异化自组装过程。
应用突破：高性能水系锌离子电池阳极保护层
在应用层面，研究团队将TPE-NPS构筑的SZIP凝胶应用于水系锌离子电池的阳极保护。锌枝晶生长是制约水系锌离子电池循环寿命的关键瓶颈，而SZIP凝胶凭借其高比表面积和富含磺酸基团的三维网络结构，能够有效引导Zn2?的均匀沉积。
随后的电化学测试结果令人满意：在对称Zn-Zn电池中，经凝胶保护的锌阳极（Gel-Zn）实现了超过8000小时的稳定循环，而未经保护的裸锌阳极在约2000小时后即发生短路；在1 mA cm?2的电流密度和1 mAh cm?2的面容量条件下，Gel-Zn电池稳定循环超过6600小时，远超裸锌电池的690小时；在Zn-MnO?全电池中，Gel-Zn基电池在5C倍率下经过2000次循环后仍保持134 mAh g?1的比容量，库仑效率接近100%（图6）。
这些优异的电化学性能归功于凝胶中苯环连接的磺酸基团对Zn2?的强吸附作用，以及凝胶网络对锌离子通量的均匀化调控。
图6凝胶层在阳极保护中的应用。
总结与展望
本研究首次提出了“构象多重性效应”这一概念，并以此为核心构建了一套从分子设计到形貌调控、从机理阐释到应用验证的完整研究体系。该工作的主要创新点包括：
1.提出了“构象多重性效应”作为调控超分子聚合物有序度的新机制，建立了Nconf与聚集体形貌之间的定量关联；
2.进一步拓展了单组分两性离子策略，大幅简化了超分子离子聚合物的设计与构筑；
3.利用动态荧光信号实现了凝胶化过程的实时监测，为超分子自组装机理研究提供了有力工具；
4.验证了SZIP凝胶作为水系锌离子电池阳极保护层的优异性能，为下一代高安全、长寿命储能技术提供了新方案。
这项研究通过精准的分子设计驾驭聚集过程，让复杂的超分子世界变得可设计、可调控、可观测。
原文链接：https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(26)00273-0
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