可调机械互锁半结晶网络

高性能聚合物弹性体为可穿戴设备、软体机器人、致动器等智能材料的开发提供了理想的基质。随着科技发展，对材料应用的需求不断增长，需要在同一系统中综合考虑关键的机械性能参数，包括强度、韧性和弹性，这些参数本质上是相互矛盾的。具体来说，具有高机械强度的聚合物具有稳定的内部网络结构，会限制链段的移动和恢复，从而降低其弹性和韧性。非共价相互作用的掺入能增强材料韧性，同时提供有效的能量耗散机制，然而弱相互作用的解离和新位点的重组也会导致材料弹性的牺牲。

近年机械键化学蓬勃发展，其兼具稳定性和动态性，为材料的性能提升提供了新的策略。研究者们将机械键与其它动态组分协同作用，以获得高性能动态材料。然而，综合材料性能的提高主要依赖于非共价牺牲键介导的能量耗散机制。在这种情况下，网络的不完全恢复可能会对材料的抗疲劳性和回弹性产生负面影响，甚至破坏致动器、传感器、离子导体等功能材料的稳定性和耐久性。因此，为了扩大高性能聚合物的应用领域，实现材料机械强度、韧性和弹性的同步提升至关重要，但也极具挑战性。

图1. 机械互锁半结晶网络和对照组的示意图

近日，华东理工大学化学与分子工程学院、费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心曲大辉教授（点击查看介绍）课题组在利用机械互锁策略构建新型高性能弹性体方面取得了重要进展，相关研究成果发表于Angewandte Chemie International Edition。在此研究中，机械化学被整合到了线性半结晶网络中，实现了看似冲突的材料特性的同步提升，包括机械鲁棒性、韧性和弹性。具体来说，研究者构建了一个机械互锁的半结晶网络，包括以二硫键封端的PCL线性骨架和作为机械互锁交联位点的[2]轮烷。聚合物网络优异的机械鲁棒性和韧性归因于机械互锁交联、PCL结晶域作为物理交联和二硫动态交联的协同作用。流变学测试和全原子分子动力学模拟表明，穿过筛状大环的结晶畴的解离给聚合物网络带来了优异的能量耗散机制。

图2. 机械互锁半结晶网络的流变学表征

值得注意的是，可逆的纳米晶域和环滑效应加速了链段运动，有效地减少了能量耗散，从而促进了非晶聚合物基体中柔性链段的弹性收缩，从而获得瞬时弹性。进一步研究了这种高性能弹性体作为光热致动器的应用潜力。这种机械互锁结构和传统半结晶聚合物的巧妙结合可以推动机械键合化学朝着高性能聚合物材料的高级应用迈出重要一步。此外，快速的二硫键交换使所得聚合物在温和条件下具有可再加工性，同时保持良好的机械性能。为了证明二硫键对网络动力学的加速作用，还设计了一系列模型化合物来消除PCL链段缠结的影响，最终证明了二硫键和机械互锁交联之间的协同作用能赋予了聚合物网络更优异的网络动力学性。

图3. 网络回弹性研究

该研究由博士生秦文煜和施晨宇博士在曲大辉教授的指导下完成，并得到了田禾院士的悉心指导。该工作得到国家自然科学基金、材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心、上海市科技重大专项、上海科学技术委员会、费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心、博士后科学基金等项目资金支持。

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Tunable Mechanically Interlocked Semi-Crystalline Networks

Wen-Yu Qin, Chen-Yu Shi, Guo-Quan Liu, He Tian, Da-Hui Qu

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202423029

导师介绍

曲大辉

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