分子机器作为纳米尺度的动态系统，能够将外界能量转化为定向机械运动，在智能材料和药物递送领域展现出巨大潜力。2016年诺贝尔化学奖授予了分子机器的设计与合成，而2025年诺贝尔化学奖则表彰了金属有机框架（MOFs）的开创性工作。如何将这两个领域有机结合，在结晶性框架中实现高效的分子机器功能，一直是超分子化学领域的重要挑战之一（图1）。在晶体材料中引入动态分子开关面临着根本性挑战：刚性晶格的空间限域效应与分子构象自由度之间的冲突严重制约了光响应性能。尽管偶氮苯作为经典的光致变色分子在溶液中表现出优异的反式-顺式异构化性能，但在固态特别是框架结构中，分子运动受限、聚集效应和环境敏感性显著降低了其光开关效率。

图1. 2025年诺贝尔化学奖表彰MOFs的发展，2016年诺贝尔化学奖表彰分子机器的设计与合成，本研究将两者有机结合成功构建MOF基纳米叶轮

近日，吉林大学化学学院杨英威教授在CCS Chemistry上发表了题为“Breaking Spatial Confinement to Unlock MOF-Based Nanoimpellers for Photocontrolled Cargo Delivery through Dimensional Engineering”的研究论文，创新性地提出了通过维度工程策略构建MOF基纳米叶轮平台，突破了晶态材料中空间限域的瓶颈，实现了高效的按需货物递送。研究采用溶剂调控的配位组装策略，以含偶氮苯侧基的有机配体为构筑单元，精准合成了二维层状Zn-Azo-MOF-1和三维网络Zn-Azo-MOF-2两种具有相同分子组成但不同维度的锌基MOFs。通过系统的光异构化效率评估，研究发现二维框架相比三维框架表现出数量级的性能提升，顺式异构体含量分别达到33%和3%。这一显著差异直接转化为纳米叶轮性能的关键突破，只有二维框架能够产生足够的分子推进力以驱动有效的货物传输。重要的是，研究揭示了机械研磨通过诱导层间滑移和剥离，能够打破二维MOF的空间限域，激活高效光异构化。多尺度结构表征结合原子力显微镜分析证实，研磨处理后二维材料出现单层（1.4 nm）、双层（2.6 nm）和三层（3.9 nm）结构共存的部分剥离现象。通过旋转能垒的定量计算和框架-侧基弱相互作用的精细分析，研究团队系统阐明了维度性和机械活化如何协同调控光开关动力学的内在机制。密度泛函理论计算显示，三维框架结构的异构化能垒是二维单层结构的12.9倍。基于Hirshfeld分区的独立梯度模型（IGMH）分析进一步揭示了三维框架中更强的π-π堆积和氢键相互作用显著限制了偶氮苯的构象转换。

基于高效的光异构化性能，成功将纳米叶轮概念从无定形载体拓展至晶态MOF平台。通过采用紫外-可见光交替照射策略，实现了偶氮苯侧基的大幅度双向异构转换，每个循环产生增强的机械力，使模型药物的释放效率达到99%（50分钟内），而三维框架在相同条件下仅释放5%。时间分辨释放曲线建立了异构体组成与释放行为之间的定量关系，证实了MOF晶格中偶氮苯单元的周期性排列能够产生协同机械扰动效应，有效地将分子尺度的构象变化转化为宏观货物释放（图2）。

图2. MOF基纳米叶轮在紫外-可见光交替照射下成功实现高效按需货物释放

该研究成果以“Breaking Spatial Confinement to Unlock MOF-Based Nanoimpellers for Photocontrolled Cargo Delivery through Dimensional Engineering”为题发表在CCS Chemistry（DOI: 10.31635/ccschem.025.202507105）上。吉林大学化学学院博士研究生李鑫为第一作者，杨英威教授为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金（项目编号：22571119）以及吉林大学白求恩医学部“医学+X”交叉创新团队“揭榜挂帅”建设项目（项目编号：2022JBGS04）的资助。