来自西北大学的研究团队取得了一项突破性的化学成就，成功创造了首个已知的二维（2D）机械互锁材料。
这种创新的纳米级材料，类似于链甲的互连链接，具有令人印象深刻的柔韧性和强度。经过进一步发展，它在先进轻质防弹衣和其他需要耐用柔韧材料的领域具有潜在应用。
该研究于1月17日（星期五）在《科学》杂志上发表，设定了多个新的里程碑。它标志着二维机械互锁聚合物的首次亮相，并拥有惊人的每平方厘米100万亿个机械键——这是迄今为止记录的最高密度。研究人员通过一种高效且可扩展的聚合过程实现了这一突破。
“我们创造了一种全新的聚合物结构，”来自西北大学的主要作者威廉·迪赫特（William Dichtel）表示。“它与链甲共享特性，因为它有效地抵抗撕裂；每个键允许轻微的运动。当拉扯时，它能将力量分散到多个方向，使得撕裂变得具有挑战性，因为需要同时打破许多键。我们还在继续研究它的特性，预计未来几年我们会对此进行深入研究。”
迪赫特是温伯格文理学院的罗伯特·L·莱辛格化学教授，同时也是国际纳米技术研究所（IIN）和保拉·M·特里恩斯可持续性与能源研究所的成员。论文的第一作者是麦迪逊·巴尔多特（Madison Bardot），她是迪赫特实验室的博士候选人和IIN的瑞安奖学金获得者。
开发新工艺
多年来，科学家们一直在努力利用聚合物创造机械互锁分子，发现很难在聚合物中诱导机械键合。
为了解决这一难题，迪赫特的团队采取了一种全新的方法。他们从X形单体开始——本质上是聚合物的基本单元——并将其组织成一种特别结构化的晶体排列。随后，他们将这些晶体与另一个分子反应，以建立它们之间的连接。
“麦迪逊在概念化这种机械互锁聚合物的形成方面功不可没，”迪赫特指出。“这个想法代表了一种高风险、高回报的情景，我们不得不重新考量关于分子晶体反应的假设。”
所产生的晶体由相互锁定的二维聚合物片层组成。在这些片层内，X形单体的末端与其他X形单体的末端连接，同时其他单体通过缝隙交织在一起。尽管它是固体形式，聚合物在柔韧性上令人惊讶。迪赫特的团队还发现，溶解聚合物会导致互锁单体的层相互分离。
“在聚合物形成之后，没有什么能够保持结构的完整性，”迪赫特解释道。“因此，当我们引入溶剂时，晶体溶解，但每个二维层仍然保持一致，允许我们处理这些单独的片层。”
为了从纳米级别分析结构，康奈尔大学的合作者在大卫·穆勒教授的指导下采用了先进的电子显微镜方法。图像证实了聚合物的高结晶性，验证了其互锁结构，并展示了其优异的柔韧性。
迪赫特的团队还发现，这种新材料可以大规模生产。以前具有机械键的聚合物往往是在微量下通过不易扩容的方法制造的。相比之下，迪赫特的团队成功合成了半公斤的新材料，并期望随着有前景的应用出现而获得更大的产量。
增强坚固聚合物
受到材料固有强度的启发，杜克大学的研究人员在马修·贝克教授的带领下，将其纳入了乌尔特姆（Ultem）。乌尔特姆与凯夫拉尔（Kevlar）密切相关，具有很高的韧性，能够承受极端温度以及酸性和腐蚀性物质。该团队配制了一种复合材料，包含97.5%的乌尔特姆纤维和仅2.5% 的二维聚合物，大大增强了乌尔特姆的整体韧性和强度。
迪赫特设想这种新聚合物有潜力发展成轻质防弹衣和防弹织物的专用材料。
“我们仍处于分析阶段，但显然它增强了这些复合材料的强度，”迪赫特表示。“几乎所有测量的性质在某种意义上都表现出卓越的性能。”
根植于西北大学的传承
作者们将此论文献给尊敬的西北大学化学家弗雷泽·斯托达特（Sir Fraser Stoddart）的记忆，他在1980年代首次提出了机械键的概念。他进一步发展了这些键，制成了可以以控制方式切换、旋转、收缩和扩展的分子机器。斯托达特上个月去世，并因其贡献于2016年获得诺贝尔化学奖。
“分子并不会自动互锁；弗雷泽发明了巧妙的技术来创建这样的结构，”迪赫特说，他曾是斯托达特在加州大学洛杉矶分校实验室的博士后研究员。“然而，即便这些方法在大型分子如聚合物中也很难实用。在我们的工作中，分子被牢固地固定在晶体中，这为周围每一个都形成机械键提供了便利。
“因此，这些机械键在西北大学有着丰富的传统，我们很高兴能够探讨它们在以前无法触及的方式中的潜力。”
该研究“机械互锁的二维聚合物”获得了国防高级研究计划局（合同号 HR00112320041）和西北大学IIN（瑞安奖学金计划）的重大支持。
