新型链锁状材料可能是装甲的未来

西北大学领导的一个研究小组开发了第一种二维（2D）机械联锁材料，这是一项了不起的化学壮举

类似于链邮件中的联锁链接，这种纳米材料表现出非凡的灵活性和强度。随着进一步的研究，它有望用于高性能、轻质防弹衣和其他需要轻质、柔韧和坚韧材料的用途

这项研究于1月17日发表在《科学》杂志上，标志着该领域的几个第一。它不仅是第一种二维机械互锁聚合物，而且这种新型材料每平方厘米还含有100万亿个机械键，这是有史以来最高的机械键密度

研究人员使用一种新的、高效和可扩展的聚合工艺生产了这种材料

该研究的通讯作者、西北大学的William Dichtel说：“我们制造了一种全新的聚合物结构。”

“它类似于链甲，因为它不容易撕裂，因为每个机械键都有一点自由滑动。如果你拉动它，它可以在多个方向上分散施加的力。如果你想把它撕裂，你必须在许多不同的地方把它打破。我们正在继续探索它的性质，可能会研究好几年。”

Dichtel是温伯格艺术与科学学院的Robert L.Letsinger化学教授，也是国际纳米技术研究所（IIN）和Paula M.Trienens可持续发展与能源研究所的成员。Dictel的博士生Madison Bardot赫特尔的实验室和IIN Ryan Fellow是该研究的第一作者

发明了一种新工艺

多年来，研究人员一直试图开发与聚合物机械联锁的分子，但发现几乎不可能诱导聚合物形成机械键

为了克服这一挑战，Dichtel的团队采取了一种全新的方法。他们从X形单体开始，将它们排列成一种特定的、高度有序的晶体结构。然后，他们将这些晶体与另一个分子反应，在晶体内的分子之间形成键

Dichtel说：“我非常感谢Madison，因为她提出了形成机械互锁聚合物的概念。”。“这是一个高风险、高回报的想法，我们不得不质疑我们对分子晶体中可能发生的反应类型的假设。”

由此产生的晶体由多层2D互锁聚合物片组成。在聚合物片材内，X形单体的末端与其他X形单体端部结合。然后，更多的单体穿过它们之间的间隙。尽管其结构刚性，但聚合物的柔韧性令人惊讶

Dichtel的团队还发现，将聚合物溶解在溶液中会导致互锁单体层相互剥离

Dichtel说：“聚合物形成后，没有很多东西将结构固定在一起。”。“所以，当我们把它放在溶剂中时，晶体会溶解，但每个二维层都会结合在一起。我们可以操纵这些单独的薄片。”

为了在纳米尺度上检查结构，康奈尔大学的合作者在David Muller教授的带领下使用了尖端的电子显微镜技术。图像显示了聚合物的高结晶度，证实了其互锁结构，并表明其具有高柔性

Dichtel的团队还发现这种新材料可以大量生产。以前含有机械键的聚合物通常是使用不太可能扩展的方法制备的，数量非常少。另一方面，Dichtel的团队制造了半公斤的新材料，并假设随着最有前景的应用出现，可能会有更大的数量。

与依赖Phys.org获取日常见解的100000多名订阅者一起探索科学、技术和太空的最新进展。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展

为坚韧的聚合物增加强度

受材料固有强度的启发，Dichtel在杜克大学的合作者，由Matthew Becker教授领导，将其添加到Ultem中。与凯夫拉尔同属一个家族，Ultem是一种非常坚固的材料，可以承受极端温度以及酸性和腐蚀性化学物质

研究人员开发了一种由97.5%的Ultem纤维和2.5%的2D聚合物组成的复合材料。这一小部分显著提高了Ultem的整体强度和韧性

Dichtel设想，他的团队的新聚合物可能有未来成为轻质防弹衣和防弹织物的特种材料

Dichtel说：“我们还有很多分析要做，但我们可以看出它提高了这些复合材料的强度。”。“我们测量的几乎每一种性质在某种程度上都是例外的。”

作者将这篇论文献给了前西北大学化学家Fraser Stoddart爵士，他在20世纪80年代引入了机械键的概念。最终，他将这些键细化为分子机器，以可控的方式进行开关、旋转、收缩和膨胀

上个月去世的Stoddart因这项工作获得了2016年诺贝尔化学奖。Dichtel是加州大学洛杉矶分校Stoddart实验室的博士后研究员

“但即使是这些方法也不够实用，无法用于聚合物等大分子。在我们目前的工作中，分子被牢牢地固定在晶体中，晶体在每个分子周围形成机械键。

”因此，这些机械键在西北大学有着深厚的传统，我们很高兴以尚不可能的方式探索它们的可能性。p