37位国际学者综述：超分子聚合物科学的九大挑战和未来机遇

编者按：

如果传统聚合物像由牢固铆钉连接的链条，超分子聚合物就更像由可开合的“分子搭扣”组成：稳定时维持结构，受到特定刺激时又能解离、重组。正是这种可逆性，让材料拥有自修复、环境响应和循环加工的潜力，也带来“如何兼顾稳定与动态”的核心难题。

超分子聚合物科学既拓展了超分子化学的外延，又丰富了高分子科学的内涵，可望成为可持续发展社会的重要科技支撑。由清华大学张希教授、新加坡南洋理工大学陈晓东教授、德国维尔茨堡大学Frank Würthner教授、英国剑桥大学Oren A. Scherman教授、美国印第安纳大学Amar Flood教授、浙江大学黄飞鹤教授、吉林大学孙俊奇教授等来自中国、新加坡、德国、英国、美国等7个国家和地区的37位国际学者，围绕超分子聚合物科学，从非共价聚合驱动力、聚合方法学、物理机制、材料形态以及工程应用五个层面系统梳理了近年来的重要进展。同时，他们针对未来发展需求，提出了九个亟待回答的基础问题与重大挑战：协同性、定量化、时空观测、理论模拟、数智化、可循环性、健康医疗、能源转化以及规模化制造。他们指出，通过融合人工智能、数据驱动设计、自动化合成和先进制造等新理念、新技术和新方法，超分子聚合物科学有望为可持续社会发展提供可循环再生的材料、器件和智能系统。这篇综述不仅是一次深度的总结与探讨，更是一封面向全球多学科科研共同体的合作倡议书。

为什么现在需要“动态”的聚合物？

过去一个世纪，共价聚合物凭借高强度、耐久和易加工，支撑了包装、交通、航空航天和生物医学等众多领域。但今天，材料面对的需求正在转变：它们不仅要“结实耐用”，还要能够感知环境变化、在受损后修复、按需改变结构，并在生命周期结束后重新进入循环。这并不意味着传统共价聚合物将被取代，而是材料科学需要一种新的连接逻辑。超分子聚合物依靠氢键、主客体作用、金属配位等可逆的非共价相互作用维系结构。单个作用可能不强，但多个作用协同后可以形成稳定体系；当温度、光、力、化学环境等条件改变时，这些连接又可能重新组织，材料由此获得“动态适应”的空间。

从“大分子”到“可编程材料”

1920年，德国化学家赫尔曼·施陶丁格提出“大分子”学说，开启现代聚合物科学研究。此后，超分子化学把研究视角从“分子内部如何连接”拓展到“分子之间如何识别并组装”。近四十年来，超分子聚合物已从概念探索走向化学、物理、材料、加工和器件的交叉前沿，在组织工程、柔性生物电子、能源存储和可持续材料等方向展现出巨大潜力（图1）。更重要的是，人工智能辅助设计、自动化实验平台和智能制造等正在改变研究方式：超分子聚合物的开发正在从过去“经验试错式探索”走向基于数据和机制的“精准设计与智能编程”，这将加快超分子聚合物领域的发展。

图1.超分子聚合物科学的历史发展概略

五条前沿，

正在汇聚成一门“材料系统科学”

综述将近年来的重要进展归纳为五个彼此相连的层面，它们共同推动超分子聚合物从“能组装”走向“可控制、可理解、可应用”（图2）。

• 聚合驱动力：让“分子搭扣”更加多样。自由基对、卤键、阴离子二聚、阳离子-pi等相互作用的引入拓宽了构建超分子聚合物体系的物质基础。

• 聚合方法学：让组装过程更加可控。超分子单体的可控聚合、动力学惰性单体的活性超分子聚合、燃料驱动的耗散聚合以及协同共价-超分子聚合等聚合方法学的建立，为超分子聚合物的可控构筑提供了有效途径。

• 物理机制：打通从微观到宏观的解释链。将经典高分子物理的理论方法应用于超分子聚合物体系，为深化认识其构效关系开拓了全新的研究视角。

• 材料形态：从弹性体走向玻璃与晶体。精细调控聚合物内部的短程或长程有序结构，有力推动了超分子聚合物材料形式的创制。

• 工程应用：进入生命、电子、能源与循环场景。超分子聚合物体系在组织工程、柔性生物电子、锂基电池、循环高分子回收等领域，更是催生了广阔的应用和转化前景。

图2.超分子聚合物体系：从分子构筑到功能组装

真正的分水岭：

九大挑战能否被解决

一个新材料方向走向成熟，不能只看“做出了什么”，还要回答“能否测准、算准、稳定复现并规模制造”。综述提出的九个挑战，正对应从基础发现到应用的完整链条。每一个挑战背后，也都藏着新的研究机会（图3）。

1）协同性：如何从试错法演进为对共价键和非共价相互作用的协同调节来构建结构与性质可控的超分子聚合物；

2）定量化：如何从半经验性运用到定量选取热力学和动力学性质来编程多层次的超分子聚合物体系；

3）时空观测：如何集成多种表征工具来原位高分辨探测不同时空尺度下的超分子聚合物结构；

4）理论模拟：如何在一般性和特异性之间建立可控的妥协来研究多层次动力学，从而搭建超分子聚合物物理的框架；

5）数智化：如何建立标准化数据库和数据共享平台来赋能数据驱动的超分子聚合物化学；

6）可循环性：如何发展有经济价值且环境友好的方法来重新回收并加工超分子聚合物材料；

7）精准医疗：如何充分利用超分子聚合物的动态适应性和相容性来发展诊断和治疗手段；

8）能源转化：如何平衡超分子聚合物内部的结合与解离来调控载流子的迁移并实现其高效传输；

9）规模化制造：如何提升超分子聚合物规模化制备的稳定重复性来促进其转化和应用。

图3.超分子聚合物科学未来发展的挑战与机遇

最大的机会，

来自学科交叉形成的闭环

超分子聚合物科学未来的突破，很可能不只来自一种更强的非共价作用，而来自“数据-模型-设计-实验-制造”的闭环，综述从不同维度展现超分子聚合物科学的未来发展路线（图4）。未来，通过与人工智能赋能设计、智能制造和绿色循环理念的深度结合，超分子聚合物科学有望推动聚合物材料从传统的“稳定结构”时代迈向“动态智能”的新纪元，为构建更加可持续的未来材料体系提供重要支撑。

图4.超分子聚合物科学的未来发展路线

材料的未来，不只是“更强”

超分子聚合物科学令人着迷之处，在于它改变了我们对材料的想象：材料不再只是被动承载结构，也可能像一个动态系统那样感知、响应、修复和重组。与此同时，越接近真实应用，问题就越具体：性能如何定量？机制如何验证？回收是否经济？制造能否重复？安全性如何评估？

因此，这篇综述更像一张路线图：基础科学决定我们能走多深，数据与工具决定我们能走多快，可持续性与规模制造决定我们最终能走多远。下一代聚合物的竞争，或许将从单纯追求“更强、更耐用”，走向“更聪明、更适应，也更容易回到循环之中” 。

文章详情：

Fundamental Questions and Grand Challenges in Advancing Supramolecular Polymer Science

Zixiang Zhou, Zehuan Huang*, Haotian Bai*, Quan Chen*, Xiaodong Chen*, Amar Flood*, Alexandra L. Ramos Figueroa, Zhao Gao, Atsushi Goto*, Han Han, Feihe Huang*, Zhekai Jin, Devika Karolly, Weiheng Lai, Hong Tho Le, Guangfeng Li*, Hongbin Li*, Yixuan Li, Kai Liu*, Ming Liu, Yu Ou, Yunyan Qiu*, Md. Mahamudul Hasan Rumon, Oren A. Scherman*, Junqi Sun*, Wei Tian*, Chao Wang*, Ruibing Wang*, Shu Wang*, Yuanyuan Wei, Frank Würthner*, Jiang-Fei Xu*, Xuehai Yan*, Junqi Yi*, Hang Yin, Chengqian Yuan and Xi Zhang*

Cite this:CCS Chem.2026, 8, 3704–3778

文章链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.026.202607756

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