机械联锁的2D链甲解锁了具有变形能力的智能聚合物

西湖大学的研究人员公开了一种二维（2D）机械互锁聚合物（MIP），它在分子尺度上模拟了中世纪的链锁。这种微米级2D材料展现出卓越的柔韧性和刚性，有可能彻底改变下一代轻型防护装备和智能装甲系统

西湖大学刘志昌教授团队领导的研究发表在《自然合成》杂志上，报告了一种具有长程有序的纯有机晶体2D MIP的合成，解决了柔性和刚性之间古老的权衡问题。这篇论文的标题是“晶体二维[c2]菊花链蜂窝网络的合成”。

该聚合物每平方厘米含有30亿条周期性排列的[c2]菊花链式结构，每条链都像互锁环一样，使其能够弯曲而不断裂，同时保持特殊的刚度。在[c2]菊花链单元中，每个组件由一个大环和一个轴组成。当两个这样的组件相互渗透时，每个大环都会穿过另一个的轴，形成两种不同的机械结合

MIP面临着一个两难境地，要么在应力下破裂（刚性类型），要么不可逆地变形（柔性凝胶）。这种新的分子链甲结合了这两种特性，其功能类似于微型防弹织物

为了解决这个悖论，刘的团队设计了一种结合结晶前组织和后连锁的协同策略。他们从柔性的三同位素单体开始，将它们预组织成长程有序的蜂窝网络，然后利用光实现机械联锁

“值得注意的是，与最近关于通过缠结线性聚合物链制备2D MIP的报道不同，我们的材料使用对称的三臂单体形成了一个扁平的互锁结构，”该研究的通讯作者刘志昌教授解释道。“这种设计类似于链甲的联锁环，在没有化学键的情况下实现了机械稳定性。”

合成了一个二维[c2]菊花链蜂窝网络。图片来源：西湖大学Serendipity的梁克章满足了战略

“我们的目标是制造一个分子笼，但最终得到了一个蜂窝，”首席科学家刘教授说。“我们设计了基于[c2]菊花链的单体，因为它们提供了高度的灵活性和可扩展性——这是人造分子肌肉的关键特征。这些基序可以提供与笼内客体分子的适应性结合，但令人惊讶的是，它们自发组装成一个无限的二维网络，而不是一个有限的笼。”刘是西湖大学化学系的首任教授，也是广岛大学结手性元物质国际可持续发展研究所（SKCM）的附属成员。刘实验室的博士生郑斌堂是该研究的第一作者

在同步辐射技术的帮助下，该团队发现了一个从单体到二聚体、六聚体，最终到蜂窝网络的分层自组装过程。这些层堆叠成六棱柱。光引发的硫烯点击化学进一步通过互补的非共价键相互作用将伪[c2]菊花链转化为完全互锁的单元

唐解释说：“原位分子缝合证明了聚合物是由相互联锁的单体组成的。”

刘的团队发现，大块晶体可以剥离成超薄层，就像在不同溶剂中剥离薄饼一样。引人注目的是，这些层的硬度是原始散装材料的47倍，同时保持了结构对称性。唐说：“这违反了惯例：这里的稀释剂并不弱。把它想象成分子链甲——刚性但柔性。”

该团队现在正在测试材料对热量、压力和pH值变化的反应。刘沉思道：“想象一下，盔甲在撞击时会变硬。”。“我们还有几年的时间，但潜力是令人兴奋的。”