抽繩常見於我們的背包上，抽繩的兩端分別透過領結狀鎖扣結構的兩個洞，呈 U 型狀態。
當拉緊抽繩時，背包口會牢固地收緊。在外力作用下拉抽繩的過程中，抽繩本身和鎖扣都會發生形變。因此，抽繩結構的抗拉伸效果強於單獨使用的自由繩索。
圖丨生活中的抽繩與分子抽繩概念示意圖（來源：叢歡）
那麽，能否能夠利用分子在微觀尺度下模仿抽繩的作用機制，來強化分子結構呢？
受抽繩結構啟發，中國科學院理化技術研究所叢歡研究員課題組與吳驪珠院士、王樹濤研究員、肖紅艷副研究員、上海交通大學顏徐州教授等團隊合作，透過化學合成的手段，實作了在微觀尺度下的分子抽繩。
分子抽繩與宏觀尺度的抽繩兼具「形神相似」，可用於聚合物材料的交聯劑，不僅可以增加材料的強度，還實作了包括硬度、韌性和粘附強度等機械效能的全面提升。
圖丨叢歡與課題組部份成員（來源：該團隊）
近日，相關論文以【仿抽繩超分子復合物的組裝與套用】（Assembly and Utility of a Drawstring-Mimetic Supramolecular Complex）為題發表在 Angewandte International Edition Chemie [1]。
中國科學院理化技術研究所博士生董翔宇為第一作者，叢歡研究員擔任通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Angewandte International Edition Chemie）
從聚合物材料的力學性質上來看，其強度和韌性兩個關鍵指標往往此消彼長，不能同時增強。
以日常生活中的塑膠和橡膠為例，當外界溫度低到一定程度，材料逐漸變硬，它的韌性也會隨之下降，這導致材料變得很脆且容易斷裂。
在該研究中，研究人員結合精準分子合成、超分子組裝和理論計算等手段，對提升聚合物材料的力學性質進行了跨學科的全新探索。
分子抽繩的尺寸約 2 納米，大約 4 萬個分子抽繩並排，粗細等同於一根頭發絲。和生活中的抽繩結構一樣，分子抽繩由兩部份構成：一個具有剛性骨架的 8 字形雙環分子 H 充當「鎖扣」，以及一個柔性的線形分子 G 充當「繩」。
研究人員在兩個分子結構中各嵌入了三個互補的結合位點，使得兩種分子在溶液中混合後，就可自發、定向地組裝成分子抽繩的結構。理論計算的結果也證實，在微觀尺度下分子抽繩在受到外力拉伸時，結構變形與能量變化和生活中的抽繩非常相似。
為了檢驗分子抽繩能否增強材料的宏觀力學效能，研究人員采用聚丙烯酸甲酯進行了概念性驗證。他們發現，僅需引入千分之一摩爾當量的抽繩結構後，材料的強度和硬度便能夠同時提升為原來的 2 倍以上。
（來源：Angewandte International Edition Chemie）
如何表征聚合物中到底有多少抽繩結構呢？這是審稿人在論文修改階段提出的犀利問題。
為回答該問題，研究人員采用紫外分光光度的方法測定材料中未被結合的遊離「鎖扣」分子的含量，並且進行了大量對照實驗。透過宏觀力學性質和光譜表征進行對比，圓滿回答了審稿人的「刁難」，並證實抽繩結構是提升材料力學效能的決定性因素。
「也正因為這些努力，我們弄清了分子抽繩結構能夠影響宏觀聚合物材料性質的原因。明確了材料的形變機制，也為未來開發效能更佳的機械互鎖聚合物材料奠定基礎。」叢歡表示。
圖丨客體分子 G 與主體分子 H 的分子結構以及核磁共振氫譜譜圖（來源：Angewandte International Edition Chemie）
生活中的衣食住行離不開各種各樣的聚合物材料，為了滿足不同的使用場景，全面提升聚合物力學效能（增強增韌）具有廣闊的套用潛力，這也成為科學家們不斷努力創新的目標。
下一步，研究人員計劃繼續最佳化仿分子抽繩的合成路線和結構，以進一步降低合成的成本並拓展更多的套用場景，探索機械互鎖聚合物材料更多的可能性。
在分子層面（納米尺度）的表征對於分子結構的理解、合成和精準地調控，有助於對宏觀材料（微米及以上尺度）性質的認識。因此，未來在分子尺度創新合成與組裝的方法，將會創造出結構更加精準可控的材料。
「我相信隨著研究的深入，合成化學家會創造出更多效能更強大的材料。」叢歡最後說道。
參考資料：
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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