上海交通大学化院颜徐州研究员团队JACS发文:机械互锁聚合物气凝胶

近期,上海交通大学颜徐州教授团队在化学综合性期刊Journal of the American Chemical Society上发表了题为“具有稠密轮烷骨架结构的机械互锁聚合物气凝胶(Mechanically Interlocked Aerogels with Densely Rotaxanated Backbones)”的研究论文。该论文基于准轮烷分子构建了具有机械互锁交联网络的气凝胶材料,所制备的气凝胶材料具有优异的响应性和自适应性,为设计智能型气凝胶材料提供了新的思路,并推动了机械互锁分子在材料领域中的发展。

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机械互锁分子(MIM)是由两个或多个在空间中通过机械键纠缠的分子元素组成。其中,机械键在不破坏相关共价键的情况下无法分离,从而确保了MIM具有高度的构象自由度(如伸长、旋转、滑动和扭曲等),同时保持了结构完整性,因而在开发人工分子机器中发挥关键作用。气凝胶是由溶胶-凝胶工艺的制备得到的多孔块体材料,凭借低密度、高孔体积、高表面积和整体特性,在许多重要领域引起了广泛关注,但缺乏动态性和自适应性。将机械键整合到气凝胶中不仅会产生具有新颖化学结构和新兴特性的气凝胶,而且为进一步开发机械互锁材料创造机会。然而,探索利用MIM来构建具有更高复杂度和更丰富功能的气凝胶材料却极具挑战。

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图1 机械互锁聚合物气凝胶(Mechanically interlocked aerogel, MIA)的设计构筑

近两年,上海交通大学颜徐州团队基于动态化学制备出一种基于亚胺键交联的新型气凝胶材料,即动态共价聚合物气凝胶(Dynamic Covalent Polymer Aerogels, DCPAs)(Natl. Sci. Rev. 2022, 9, nwac012)。该气凝胶除传统的性能和功能外,由于分子层次上动态键的引入,可实现“回炉重造”的闭环全回收过程。为了推动气凝胶的进一步智能化发展,近期他们以分子内可运动的轮烷分子作为气凝胶的模块基元,经过聚合后,成功制备了由机械互锁聚合物网络搭建而成的新型气凝胶材料,即机械互锁气凝胶(Mechanically Interlocked Aerogel, MIA)。这一类新型凝胶骨架中含有稠密的机械键,在受到外界刺激时,可发生分子内滑动和网络形变,从而使MIA表现出响应性和自适应性。基于特有的连续的三维纳米及亚微米多孔结构、优异的机械性能和特殊的化学结构,所得机械互锁气凝胶表现出多功能性,如碘吸附、隔热、选择性移除染料等。该研究为在分子水平上设计智能气凝胶并推进机械互锁分子的实用化进程提供了新的视角。

该研究得到了国家自然科学基金(22122105, 22071152, 21901161)、上海市自然科学基金(20ZR1429200)、中国博士后基金(2021M692061)以及浙江大学上海高等研究院繁星科学基金(SN-ZJU-SIAS-006)的资助。

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c04717

颜徐州课题组主页

https://yanlab.sjtu.edu.cn/

Journal of the American Chemical Society是一个发表介绍化学所有领域最重要、最尖端研究工作的高质量论文的周刊。

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