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。
图丨生活中的抽绳与分子抽绳概念示意图(来源:丛欢)
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。
图丨丛欢与课题组部分成员(来源:该团队)
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。
图丨相关论文(来源:Angewandte International Edition Chemie)
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。
(来源:Angewandte International Edition Chemie)
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。
图丨客体分子 G 与主体分子 H 的分子结构以及核磁共振氢谱谱图(来源:Angewandte International Edition Chemie)
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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