将分子定向组装为具有取向孔道的多级孔结构在生物系统中十分常见，这种结构是生物体内物质传输与转化的重要基础。例如，树干中高度有序且垂直取向的多级孔道在汁液上升过程中得以形成。在人工系统中，实现复杂多级次结构的定向生长不仅有助于加深我们对生物体内自组装过程的理解，还能推动具备高效传质特性的前沿材料的发展。

然而，要在构建多级孔材料时同时实现定向生长与孔道取向，尤其是在长程有序的单晶结构中，仍然面临巨大挑战。解决这一问题的关键在于如何同步调控分子间相互作用和跨尺度形貌生长过程，即实现多尺度的协同组装控制。

近日，北京理工大学化学与化工学院孙建科教授课题组以典型有机分子笼CC3为研究对象，提出了一种基于物理与化学作用的多尺度协同控制自组装策略。该策略结合分子尺度的分子堆积调控与介观尺度流场的定向传质，成功实现了孔道取向与定向多级次生长，一步构建出单晶级有机分子笼微管及其阵列结构。

为了全面理解并最终控制加工与结构之间的关系，作者结合原位PXRD、高速相机观察以及有限元模拟等多种手段，从不同尺度详细研究了取向分子笼微管的形成机制。研究结果表明，引入引导剂甲醇在不同尺度上发挥了关键作用：在分子和纳米尺度，甲醇调控分子堆积模式，使其从3D类金刚石结构转变为2D层状取向结构；在介观和宏观尺度，甲醇的引入诱发了马兰戈尼对流，从而引导取向分子笼微管的定向和扩散限制生长。

在此基础上，作者通过控制流场方向，实现了分子笼微管生长方向的精确调控，成功构建了分子笼的2D和3D取向微管阵列。吸附实验表明，与单一微孔结构相比，3D取向微管阵列显著提升了传质效率。进一步研究中，作者利用该3D取向微管阵列的微孔和管腔，分别固定了Pd团簇和酶（脂肪酶或葡萄糖氧化酶）。在一锅串联反应中，该体系的催化活性较各组分的物理混合提高了3.8至4倍。

该研究为多孔分子多级次结构的跨尺度合成以及多孔分子基功能材料的溶液加工提供了新思路。