科学家开发微观尺度分子抽绳，将聚合材料强度和韧性同时提升2倍
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麻省理工科技评论-科学家开发微观尺度分子抽绳，将聚合材料强度和韧性同时提升2倍
抽绳常见于我们的背包上，抽绳的两端分别通过领结状锁扣结构的两个洞，呈 U 型状态。
当拉紧抽绳时，背包口会牢固地收紧。在外力作用下拉抽绳的过程中，抽绳本身和锁扣都会发生形变。因此，抽绳结构的抗拉伸效果强于单独使用的自由绳索。
那么，能否能够利用分子在微观尺度下模仿抽绳的作用机制，来强化分子结构呢？
受抽绳结构启发，中国科学院理化技术研究所丛欢研究员课题组与吴骊珠院士、王树涛研究员、肖红艳副研究员、上海交通大学颜徐州教授等团队合作，通过化学合成的手段，实现了在微观尺度下的分子抽绳。
分子抽绳与宏观尺度的抽绳兼具“形神相似”，可用于聚合物材料的交联剂，不仅可以增加材料的强度，还实现了包括硬度、韧性和粘附强度等机械性能的全面提升。
近日，相关论文以《仿抽绳超分子复合物的组装与应用》（Assembly and Utility of a Drawstring-Mimetic Supramolecular Complex）为题发表在 Angewandte International Edition Chemie[1]。
中国科学院理化技术研究所博士生董翔宇为第一作者，丛欢研究员担任通讯作者。
从聚合物材料的力学性质上来看，其强度和韧性两个关键指标往往此消彼长，不能同时增强。
以日常生活中的塑料和橡胶为例，当外界温度低到一定程度，材料逐渐变硬，它的韧性也会随之下降，这导致材料变得很脆且容易断裂。
在该研究中，研究人员结合精准分子合成、超分子组装和理论计算等手段，对提升聚合物材料的力学性质进行了跨学科的全新探索。
分子抽绳的尺寸约 2 纳米，大约 4 万个分子抽绳并排，粗细等同于一根头发丝。和生活中的抽绳结构一样，分子抽绳由两部分构成：一个具有刚性骨架的 8 字形双环分子 H 充当“锁扣”，以及一个柔性的线形分子 G 充当“绳”。
研究人员在两个分子结构中各嵌入了三个互补的结合位点，使得两种分子在溶液中混合后，就可自发、定向地组装成分子抽绳的结构。理论计算的结果也证实，在微观尺度下分子抽绳在受到外力拉伸时，结构变形与能量变化和生活中的抽绳非常相似。
为了检验分子抽绳能否增强材料的宏观力学性能，研究人员采用聚丙烯酸甲酯进行了概念性验证。他们发现，仅需引入千分之一摩尔当量的抽绳结构后，材料的强度和硬度便能够同时提升为原来的 2 倍以上。
如何表征聚合物中到底有多少抽绳结构呢？这是审稿人在论文修改阶段提出的犀利问题。
为回答该问题，研究人员采用紫外分光光度的方法测定材料中未被结合的游离“锁扣”分子的含量，并且进行了大量对照实验。通过宏观力学性质和光谱表征进行对比，圆满回答了审稿人的“刁难”，并证实抽绳结构是提升材料力学性能的决定性因素。
“也正因为这些努力，我们弄清了分子抽绳结构能够影响宏观聚合物材料性质的原因。明确了材料的形变机制，也为未来开发性能更佳的机械互锁聚合物材料奠定基础。”丛欢表示。
生活中的衣食住行离不开各种各样的聚合物材料，为了满足不同的使用场景，全面提升聚合物力学性能（增强增韧）具有广阔的应用潜力，这也成为科学家们不断努力创新的目标。
下一步，研究人员计划继续优化仿分子抽绳的合成路线和结构，以进一步降低合成的成本并拓展更多的应用场景，探索机械互锁聚合物材料更多的可能性。
在分子层面（纳米尺度）的表征对于分子结构的理解、合成和精准地调控，有助于对宏观材料（微米及以上尺度）性质的认识。因此，未来在分子尺度创新合成与组装的方法，将会创造出结构更加精准可控的材料。
“我相信随着研究的深入，合成化学家会创造出更多性能更强大的材料。”丛欢最后说道。
参考资料：
1.Dong,X. et al.Assembly and Utility of a Drawstring-Mimetic Supramolecular Complex. Angewandte International Edition Chemie(2024). https://doi.org/10.1002/anie.202318368
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