《Science》：全新高分子问世！

高分子聚合物是现代社会一种重要的材料，在人们工作生活中几乎无处不在。随着科学技术的发展，高分子本身也在不断的演变发展。比如，你能想象一种高分子，其结构中含有可以拆卸的部件，因而可以向环境中输送释放一些物质，然后又可以进行化学再生以再次发挥功能，或者能像肌肉一样通过收缩和扩张的方式举起有一定重量的物体。这些功能需要在高分子结构中同时具有刚性成份和柔性的有非常不同性质的纳米级包裹物以特定的方式组合在一起。

最近美国西北大学的研究人员已经研究出来了这种全新类型的杂化聚合物。这种材料或许有一天会成为人造肌肉或其它生命类材料，或许用于输送药物、生物分子或其它化学品，或许用于可自我修复的材料，以及可替换的能量来源。这项研究刚刚发表在《Science》上。

图片来源：www.northwestern.edu

“我们已经创建了具有纳米尺寸分隔结构的惊人的高分子聚合物，这种纳米结构可以被多次去除以及化学再生，”这项研究的资深作者，材料科学家Samuel I. Stupp说。

“一些纳米隔间容纳刚性常规聚合物，但其它纳米隔间包含了超分子聚合物。这种材料能够迅速地对外界刺激作出反应，并被传递到环境中，然后很容易地在相同的位置再次再生。这种超分子的软性分隔结构可以生成具有与一些生命物质相似功能的高分子聚合物，”他说。

Stupp是西北大学辛普森奎生物纳米技术研究所的总监。他是纳米科学和超分子自组装领域的领导者，而生物分子正是通过自组装来创建出功能强大的有序结构。

Samuel I. Stupp教授。图片来源：www.northwestern.edu

该杂化聚合物巧妙地结合了两种类型的已知聚合物：其中一种由强共价键构成，而另一种由弱的非共价键构成，后者被称为“超分子聚合物”。最终集成的这种聚合物提供了两种不同的分隔结构，以利于化学家和材料科学家设计有用的功能。

“我们的发现可以改变聚合物的世界，并开始其历史上的第三章：即混合聚合物的时代，“Stupp说。“这将续写作为第一章的广泛有益的共价聚合物，以及作为第二章的最近新兴的超分子聚合物。”

“我们可以创建前所未闻的活性或响应性材料，因为这种基于弱的非共价键形成的分隔结构可以像生命物质一样具有高度动态。目前在我的实验室正在开发的有些材料就很像人工肌肉，”他说。

聚合物的特性来自于其纳米尺度的结构。Stupp的第一款混合聚合物的共价刚性骨架有一个像忍者星那样的横截面，包括了一个硬核和盘旋而出的手臂。在臂之间是较软的具有“生命力量”的材料。这部分材料具有可以进行活化、刷新和再生的功能，可以在一个很大范围内找到有价值的应用。

“混合聚合物的奇妙之处在于将这两种类型的聚合物同时生长能够产生与它们单独生长完全不同的材料结构，”Stupp说道。“我能想象这种新材料可以是一种可输送药物的超级智能‘邦迪’，你可以在其中加载不同药物，然后在用药后重新将新药补充到相同的分隔空间里。”

Stupp和他的研究小组还发现，共价聚合形成刚性间隔结构的过程被超分子聚合过程所“催化”，从而产生分子量高得多的聚合物。

由共价键牢固结合的分隔结构为这种材料提供了骨架，而弱结合的超分子间隔结构可在其功能逐渐磨损或用完后通过加入小分子再生。当共价和非共价键的分隔结构同时聚合后，它们之间最终也相互结合，产生一个非常长的、完全成形的圆筒状长丝。

为了更好地了解这种混合聚合物的化学机理，Stupp和他的团队与世界著名的理论家以及西北大学Charles E. and Emma H. Morrison化学教授George C. Schatz合作。Schatz的计算机模拟显示，两种类型的纳米分隔结构通过氢键很好地结合在一起。

“这是一个了不起的成就，以一种全新的方式生成聚合物，同时控制两者的化学过程以及它们的分子怎样合并在一起，”资助这项研究的美国国家科学基金会材料科学项目主任Andy Lovinger说。

“我们只是在这个过程的开始阶段，再深入下去可能会产生具有独特性能的材料，如自拆卸和重新自组装等，这可能有更广泛的应用，”Lovinger说。

1. http://science.sciencemag.org/content/351/6272/497

2. http://phys.org/news/2016-01-kind-polymer.html