近日，國際頂級學術期刊《科學》的綜合類子刊Science Advances 以研究論文的形式在線報道了華東理工大學化學與分子工程學院費林加諾貝爾獎科學家聯合研究中心田禾院士和曲大輝教授研究團隊在超分子聚合物研究中的重要進展。發展高性能的聚合物材料對於滿足人類生產生活日益增長的需要具有極其重要的意義。雖然國內外科學家已發展了一系列性能優異的聚合物材料，分別表現出可塑性、可拉伸性、自修復性、粘附性以及可回收性等特性。然而，為了實現其複雜的性質和功能，人們常常需要增加其聚合物體系的複雜性，無疑增加了材料的合成難度和成本。因此，降低體系複雜性和增加材料性能一直是人們設計和發展聚合物材料的關鍵權衡點，其研究的瓶頸問題在於如何用簡單易得的原料通過簡單的製備方法得到性能優異的聚合物材料。
圖1. 以硫辛酸為原料合成的超分子聚合物及其主要性能
硫辛酸是一種天然存在的生物源小分子，在動物體內以輔酶的形式存在，起到抗氧化的作用，在歐美國家作為一種常見的營養品廣泛存在，是一類廉價易得且生物相容的小分子化合物。由於其末端含有雙硫鍵的五元環常常可以作為配體修飾到貴金屬表面，硫辛酸及其衍生物常常用於一些納米金屬膠質的合成和穩定化。該團隊在將其應用於納米粒子保護配體的過程中，偶然間發現合成的硫辛酸及其衍生物非常容易在高濃度下自發地變成不溶的聚合物。這是由於硫辛酸具有較強的五元環張力以及動態二硫鍵，在高濃度下發生動態共價開環聚合，形成含硫的聚合物鏈。同時，聚硫辛酸側鏈大量的羧基可以作為非共價氫鍵位點，進一步締合形成交聯網絡。
圖2. 所得聚合物的機械性能
這種容易發生自聚合的現象引起了研究人員的興趣，從而開創出一類全新的無溶劑即可形成的熱塑型超分子聚合物。其合成方法極其簡易，通過將商品化的硫辛酸粉末直接加熱熔化，得到流動態的硫辛酸液體，然後加入少量的商品化共價交聯劑二異丙烯基苯和非共價交聯劑三價鐵離子，攪拌5分鐘後冷卻到室溫即可成型。通過此方法得到的共聚物是一種黃色透明的固體軟材料，其獨特的三維網絡結構具有三種不同的動態化學鍵、動態共價二硫鍵以及非共價的金屬-羧基配位鍵和氫鍵。這三種動態共價鍵的同時存在使整個共聚物材料展現出極其優異的機械性能。其斷裂伸長率超過15000%，並展現出較高的楊氏模量。共聚物材料在受到嚴重損傷（直徑3/4的切口）後仍然能夠拉伸至初始長度的110倍以上不發生斷裂。由於結構的高度動態性，這種聚合物材料能夠在室溫下自發地發生自修復過程，切斷再癒合過程只需5分鐘即可恢復原始的機械強度和斷裂伸長率。同時，這種共聚物也能用於可重複使用的超分子粘合劑，對包括玻璃、特氟龍等多種材料具有較強的粘附性能，並且可以通過簡單的加熱-冷卻過程實現粘附劑的循環再利用。該工作得到編輯和審稿人的一致高度評價：“這篇文章技術上非常有趣，合成方法的簡單性和通用性能夠引起很多研究興趣。”
圖3. 所得聚合物的粘附性能
該論文由華東理工大學費林加諾貝爾獎科學家聯合研究中心的博士研究生張琦和本科生施晨宇在曲大輝教授、田禾院士和諾貝爾化學獎獲得者
Ben L. Feringa院士的共同指導下完成，並得到龍億濤教授和華鑫副研究員在材料測試方面的大力支持。該研究工作得到國家自然科學基金委創新群體、重大項目以及111引智計劃等資金的支持。閱讀更多 化學達人69 的文章
