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        近日,上海交通大學顏徐州教授團隊在化學綜合性期刊Journal of the American Chemical Society上發表了題為“具有稠密輪烷骨架結構的機械互鎖聚合物氣凝膠(Mechanically Interlocked Aerogels with Densely Rotaxanated Backbones)”的研究論文。該論文基于準輪烷分子構建了具有機械互鎖交聯網絡的氣凝膠材料,所制備的氣凝膠材料具有優異的響應性和自適應性,為設計智能型氣凝膠材料提供了新的思路,并推動了機械互鎖分子在材料領域中的發展。

        上海交大顏徐州團隊機械互鎖聚合物氣凝膠

        機械互鎖分子(MIM)是由兩個或多個在空間中通過機械鍵糾纏的分子元素組成。其中,機械鍵在不破壞相關共價鍵的情況下無法分離,從而確保了MIM具有高度的構象自由度(如伸長、旋轉、滑動和扭曲等),同時保持了結構完整性,因而在開發人工分子機器中發揮關鍵作用。氣凝膠是由溶膠-凝膠工藝的制備得到的多孔塊體材料,憑借低密度、高孔體積、高表面積和整體特性,在許多重要領域引起了廣泛關注,但缺乏動態性和自適應性。將機械鍵整合到氣凝膠中不僅會產生具有新穎化學結構和新興特性的氣凝膠,而且為進一步開發機械互鎖材料創造機會。然而,探索利用MIM來構建具有更高復雜度和更豐富功能的氣凝膠材料卻極具挑戰。

        機械互鎖聚合物氣凝膠(Mechanically interlocked aerogel, MIA)的設計構筑。
        機械互鎖聚合物氣凝膠(Mechanically interlocked aerogel, MIA)的設計構筑。

        近兩年,上海交通大學顏徐州團隊基于動態化學制備出一種基于亞胺鍵交聯的新型氣凝膠材料,即動態共價聚合物氣凝膠(Dynamic Covalent Polymer Aerogels, DCPAs)(Natl. Sci. Rev. 2022, 9, nwac012)。

        該氣凝膠除傳統的性能和功能外,由于分子層次上動態鍵的引入,可實現“回爐重造”的閉環全回收過程。為了推動氣凝膠的進一步智能化發展,近期他們以分子內可運動的輪烷分子作為氣凝膠的模塊基元,經過聚合后,成功制備了由機械互鎖聚合物網絡搭建而成的新型氣凝膠材料,即機械互鎖氣凝膠(Mechanically Interlocked Aerogel, MIA)。

        這一類新型凝膠骨架中含有稠密的機械鍵,在受到外界刺激時,可發生分子內滑動和網絡形變,從而使MIA表現出響應性和自適應性。

        基于特有的連續的三維納米及亞微米多孔結構、優異的機械性能和特殊的化學結構,所得機械互鎖氣凝膠表現出多功能性,如碘吸附、隔熱、選擇性移除染料等。該研究為在分子水平上設計智能氣凝膠并推進機械互鎖分子的實用化進程提供了新的視角。

        文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c04717

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