在化学和材料科学的世界里，对称性通常代表着稳定与和谐，但对称性的“破缺”往往能创造出意想不到的秩序与功能。“手性”——这个如同我们的左手与右手，彼此镜像却无法完全重合的特性——在生命体系中无处不在。想象一下，如果有一种方法，能从一堆完全对称或左右手分子等量混合的“汤”中，自发地、随机地“生长”出具有明确左旋或右旋特征的柔软材料（凝胶），这无疑将为我们理解自然界的手性起源和设计新型功能材料打开一扇新窗。这正是近年来备受关注的“凝胶化中的手性对称性破缺”所研究的核心。
1 引言：从历史经典到新兴领域
手性对称性破缺现象的研究历史，甚至可以追溯到路易·巴斯德（Louis Pasteur）在1848年对酒石酸盐晶体自发拆分的著名发现，这甚至早于分子手性概念的正式建立。在结晶过程中，手性对称性在单个同手性晶体中被打破，但整体上，由于等量的左旋和右旋晶体生成，体系仍保持光学非活性。相比之下，凝胶的有序度低于晶体，这可能导致了凝胶化中的手性对称性破缺现象长期被忽视。然而，进入21世纪后，相关报道开始涌现，一个新兴的研究领域正逐渐成型。
2 非手性或快速外消旋的手性凝胶剂
这类凝胶剂在实现手性对称性破缺方面具有先天优势，因为其溶液不会因一种对映体被优先组装而富集另一种对映体，从而避免了抑制对称性破缺的“补偿机制”发挥作用。
2.1 单个纤维中的手性对称性破缺
早期例子出现在2008年，由Hong等人报道的非手性有机凝胶剂1。其干凝胶在扫描电镜（SEM）下显示出螺旋扭曲的带状结构，但在同一凝胶中同时存在右手和左手螺旋，使得凝胶整体上圆二色谱（CD）非活性，表明手性对称性在整体凝胶层面得以保持，但在单个扭曲纤维中被打破。另一非手性凝胶剂4则在凝胶的热塌陷过程中表现出类似行为。结构复杂的凝胶剂，如具有构象手性的弯曲两亲分子5，也能在单个纤维层面产生手性结构。尿素五聚体7的研究表明，其形成的螺旋纤维具有反转手性以实现同手性相互作用的能力，使得整个凝胶对外部手性刺激高度敏感。
2.2 整个凝胶尺度的手性对称性破缺
要实现宏观的手性对称性破缺，获得具有CD活性的凝胶，需要自发产生不等量的两种对映形态纳米纤维。目前认为，同手性选择或优选的二次成核在此过程中扮演关键角色。2008年，游劲光课题组报道了由弯曲双咪唑配体8和Ag+离子形成的配位聚合物凝胶，其CD信号的正负在不同批次中随机波动，排除了外部手性杂质决定性影响的可能，是随机自发对称性破缺的例证。
阳离子三氨基胍衍生物9的氯化物凝胶，其浇铸膜在大部分情况下也显示CD活性。超声处理被发现是触发手性对称性破缺的有效物理手段，例如环烷烃基双酰胺凝胶剂10和11，只有在超声条件下才能产生光学活性凝胶。为了精确表征凝胶的手性异质性，研究人员甚至开发了配备二维CD扫描仪的装置，可直观显示水凝胶中不同区域的手性信号分布，如12和13组成的“玫瑰花结”凝胶体系所示。
控制对称性破缺的方向是另一个挑战。通过应用涡流混合，可以促进凝胶剂的二次成核，从而放大成胶初期的手性涨落。例如，利用微流控装置产生手性微涡流，可以实现对苯-1,3,5-三甲酰胺衍生物14凝胶手性的方向性控制。有趣的是，具有平面C3对称性的分子（如9、14、15）或超分子结构（如12/13）似乎是展现宏观手性对称性破缺行为的代表性结构，这为理解其机理提供了线索。
3 不易外消旋的手性凝胶剂
对于分子手性长期稳定的凝胶剂，其手性对称性破缺包含分子层面和超分子层面手性的不平衡。由于其固有的负反馈机制，这类凝胶剂的宏观手性对称性破缺更难实现。然而，一旦实现，它便提供了一种对映体拆分的全新方法，极具吸引力。
3.1 单个纤维中的手性对称性破缺
要实现宏观手性对称性破缺，首先需要在单个纳米纤维层面满足手性对称性破缺，即对映体在组装过程中需表现出同手性选择性。但研究表明，许多手性凝胶剂的外消旋混合物倾向于形成异手性选择性相互作用，或形成由同手性单层再通过异手性氢键相互作用组装而成的“内消旋”双层结构（如凝胶剂16），从而抑制了整体光学活性的产生。
3.2 整个凝胶尺度的手性对称性破缺
长期以来，不易外消旋手性凝胶剂的宏观手性对称性破缺被认为极难观测。然而，2022年田代仁志课题组报道了Fmoc保护的谷氨酸衍生物21，其外消旋混合物在乙腈中可形成凝胶，并随机富集其中一种对映体。后续研究进一步发现，商品化的Fmoc保护苯丙氨酸23和色氨酸24也能从外消旋溶液中获得非外消旋凝胶。这表明该现象可能并非特例，而是被长期忽视的普遍事件。同手性选择性二次成核被认为是实现该过程的关键机制。通过降低凝胶剂浓度以延缓初级成核，或搅拌溶液以促进二次成核（类似于NaClO3结晶中的发现），均可有效提高获得光学活性凝胶的概率。
4 共价聚合物凝胶剂
由共价聚合物形成的物理凝胶是低分子量凝胶剂的重要参照系。非手性聚合物可采取螺旋等手性构象，这与小分子凝胶剂组装成手性超分子纳米结构有相似性。例如，间规立构聚甲基丙烯酸甲酯25在特定溶剂中可形成螺旋构象，但其整体凝胶仍为外消旋。而聚（2,6-二甲基-1,4-苯基）醚27与手性溶剂α-蒎烯形成共晶时，可形成由同手性螺旋组装而成的单晶域，这暗示了其产生宏观手性对称性破缺聚合物凝胶的潜力。
5 小分子凝胶化与结晶中手性对称性破缺的异同
5.1 相似之处
晶体结构常被用作理解凝胶结构的初步近似。在机制理解上，搅拌溶液可同时增强凝胶化和结晶过程中的手性对称性破缺程度，表明同手性选择性二次成核可能是二者共有的机制。
5.2 不同之处
凝胶化至少包含两个步骤：形成纳米纤维的超分子聚合，以及纤维缠结形成凝胶。因此，其手性对称性破缺需在单个纤维和整个凝胶两个层面考量。而结晶通常被视为单一过程。更重要的是，凝胶和晶体在手性分子组装中可能表现出截然不同的立体化学偏好。手性分子在通过π-π堆积和氢键形成一维超分子聚合物时，往往倾向于同手性选择性组装，这有利于手性对称性破缺的发生。相反，结晶更常得到外消旋体。这种差异表明，凝胶化在实现手性对称性破缺方面可能比结晶更具潜在优势。
6 对材料工程的贡献
手性对称性破缺凝胶为材料工程开辟了新途径。利用非手性分子直接构建光学活性软材料，可应用于不对称催化剂、圆偏振光发射器等领域。其手性可随凝胶-溶胶转变而消失，适用于与组装-解离过程联用的开关功能材料。此外，该过程具有手性放大效应，可用于超灵敏手性传感。其在生物适应性材料（如与细胞相互作用的智能水凝胶）设计中也颇具前景。更有趣的是，对称性破缺方向“不可预测”和“不可复现”的随机性本质，或许能在安全加密或人工智能等需要“随机涨落”的新兴领域找到独特应用。
7 未来展望
该领域仍有许多未知等待探索。例如，共价聚合物凝胶的宏观手性对称性破缺尚属空白。阐明允许该现象发生的分子结构特征至关重要。利用流体动力学流动（如泰勒涡流）控制该过程、探究初级成核步骤的手性破缺之谜，都是富有挑战性的方向。由于手性能作为探针揭示成核事件的细节，该研究也将深化对多种自组装过程中成核机制的理解。从更长远看，研究重力对该现象的影响，将有助于探索空间环境中手性对称性破缺的可能性，甚至为地球生命手性起源的陨石假说（如默奇森陨石中含有非外消旋的异缬氨酸）提供一种可能的凝胶化路径设想。
