图1 非平衡体系中的超分子化学。
（1）化学反应网络驱动的瞬态超分子水凝胶及其非平衡自组装机理研究
本课题组首次将硼酸-二醇动态化学与内部pH反馈系统相耦合，开发了一种硼酸酯基的化学反应网络，用于构筑瞬态超分子手性G4水凝胶（图2）。在燃料分子KOH和1,3-丙磺酸内酯形成的内部pH反馈系统中，鸟苷（G）和苯并氧杂硼烷醇（B）复合物可逆的形成和解离，并通过非平衡耗散自组装使得整个反应体系形成了沉淀—溶液—凝胶—沉淀的动态循环。通过调节KOH和1,3-丙磺酸内酯的初始浓度，瞬态GB水凝胶的凝胶寿命可在分钟、小时、天等时间维度自由调节。（Angew. Chem. Int. Ed.2022,61,e202114471; Angew. Chem. Int. Ed.2020,59, 18768−18773）。
进一步的，通过改变鸟苷和硼酸前驱体以及化学燃料的种类，可以调控超分子自组装路径，从而控制非平衡体系的超分子手性。通过耦合化学燃料化的过程和热退火的过程，可以对四种不同手性水凝胶的超分子手性进行顺序编程，从而构筑一个稀有的多态超分子手性光学开关（Nat. Commun.2023, 14,5030)。得益于众多市售的二醇类和硼酸类化合物以及燃料分子，我们进一步证明所开发的硼酸酯基的化学反应网络具有一般的通用性和广泛的底物可扩展性，为下一代自适应和交互式智能材料的设计和构筑提供了新的渠道。
图2 硼酸酯基化学反应网络驱动的瞬态超分子水凝胶的研究结果。
（2）化学反应网络驱动的仿生自调节水凝胶：自发的Gel–to–Gel转化及其超螺旋到单螺旋的手性反转
受胶原蛋白自适应性的启发，本课题组与荷兰埃因霍温理工大学Bert Meijer教授（JACS副主编，荷兰皇家科学院院士）合作，以鸟苷和吡啶-4-硼酸为前驱体，利用酶催化的化学反应网络，构筑了首例化学燃料驱动的仿生自调节水凝胶（图3）。该体系能够在不经过溶液相的情况下，实现自发的Gel–to–Gel转变，并伴随超螺旋到单螺旋的手性反转。与传统的Gel–Sol–Gel体系相比，该系统的独特优势在于具备动态稳定性，在结构转变时维持三维网络连续性；具备跨尺度可控性，能够实现从分子手性到超螺旋拓扑的多级动态调控；具备仿生适应性，能够模拟胶原蛋白的超螺旋结构与应力响应行为（J. Am. Chem. Soc.2025, 147,17361–17371）。
图3 酶催化化学反应网络驱动的仿生自调节水凝胶的研究结果。