科学家在纳米尺度“织”出高科技“布”

编织是人类最古老的手工艺之一。通过编织，一维的丝线可以转化为布匹、绳索、筐篮等丰富的生产生活用具。如果这种方法被迁移到微观的纳米尺度，会发生什么样的神奇变化？ 11月4日，浙江大学黄飞鹤/李光锋教授团队联合美国德克萨斯大学奥斯汀分校Jonathan L. Sessler教授等在《自然》期刊发表题为“二维网状三轴分子编织”的研究论文，成功构筑了一种二维网状三轴分子编织结构（TWPN），为分子编织迈向更高阶、更复杂的拓扑体系提供了新范式。

黄飞鹤和课题组成员在实验室讨论。（浙大供图） 什么是“分子编织”？ 我们生活里随处可见的塑料袋、塑料餐盒、橡胶轮胎，摸起来质感天差地别，但在化学家眼里，它们的微观底子其实是同一类东西——高分子。 20世纪20年代，德国化学家施陶丁格的研究成果让人们第一次正确认识了高分子的本质。我们可以把高分子链想象成一根丝线，它们有的像毛线一样柔软，有的则像铁丝一样柔中带刚。 一百多年来，高分子产品已经成为了人类生活中不可或缺的一部分，虽然他们形态各异，但其微观本质都是相似的：高分子链要么像毛线团一样无序缠结，要么像铁丝网一样被化学交联以共价键的形式牢牢焊死。 科学研究总是热衷于追寻规律、追求有序。在高分子的结构逐渐被化学家们熟知以后，他们总会忍不住想：如果高分子链摆脱了这种无序的缠绕，而是像织布或者织毛衣一样，有序地编织在一起，会有什么样的神奇变化呢？ 20世纪90年代，美国化学家首次提出了分子编织的概念，为高分子链的微观结构提供了一种新的可能性。微观的独特构造和有序性，赋予了分子编织类材料宏观上的独特性质，使它们在强韧性、环境适应性、功能性等方面都具有独特的优势。于是，这种材料问世以后，就得到了全世界化学家的关注。经过三十余年的发展，化学家们已经开发出各种各样的分子编织材料。 全新的分子编织方法 现有的分子编织材料大多是双轴结构，即分子结构中有横向和纵向两个方向，就好像常用的医用纱布一样。科学家构筑这种分子编织材料时，最常用的方法就像传统织布中“用线纺布”一样，通过一点点“穿针引线”，把长链的聚合物分子“织”在一起。 近年来，科学家又将双轴编织进一步发展到了三轴编织。三轴编织的材料相较于两轴额外引入了第三个方向，各角度受力都能更加均匀分散，也使其宏观上表现出更加优异的性能。然而，以往构筑二轴编织材料所采用的“穿针引线”法，在三轴编织方面就有些力不从心了，这就好像传统的纺织机很难纺出现代纺织品所需要的高级纹样。 近年来，黄飞鹤团队持续致力于分子编织材料的构筑，研究体系已从双螺旋、三螺旋等一维编织聚合物，拓展至平纹编织、鸡网编织等二维线状编织结构。为突破传统方法在编织维度上的限制，团队另辟蹊径，摒弃了依赖线性“分子丝线”进行“穿针引线”的传统构筑思路，创新性地选用C3对称的大环分子MCN3和联苯二硼酸酯单体DB2，通过配位B?N键驱动聚合，首先构筑出二维网状的“网片”结构，并以此“网片”为基本构筑单元，进一步组装形成具有三轴交错特征的二维网状分子编织聚合物TWPN。。 这张TWPN“布”的编织过程和以往的分子编织过程截然不同，它是被一次性“织”成的。在“织布”的过程中，大环的MCN3结构表现出“刚柔并济”的特性——其中的刚性骨架引导分子链段有序延伸，而柔性的片段则允许分子链段动态调整。两者刚柔相济、配合得当，非常有助于复杂编织结构的形成。 新材料的新能力 新的方法也赋予了材料新的应用场景和想象空间。比如传统的拓扑手性分子（如分子结）通常只包含个别手性交叉点，而用新方法构筑的TWPN网络则是连续的聚合物网络，单张纳米片就包含数以亿计的同手性交叉点，团队将其命名为“微米拓扑手性”，这为构筑连续手性二维材料提供了新平台。 再比如，三轴编织拓扑也赋予材料独特的力学性能。实验显示，TWPN晶体在受到压力时，柔性的大环首先发生弯曲，吸收应力，而刚性的编织节点则能保持几何形状，并重新分配应力。“刚柔并济”的结构赋予其特殊的力学性能，使得TWPN晶体拥有更好的强度和弹性。 除力学性能外，TWPN还表现出了良好的功能性。大环与三轴编织拓扑的协同给材料带来了丰富的孔道，在化工原料分离方面表现优异。以结构相近的环己烷和苯为例，TWPN对苯的吸附量高达5.11 mmol/g，却几乎不吸附环己烷，可以通过简单的穿透实验实现两者的分离。 团队还额外选取了3组化工行业常见的“龙凤胎”——甲苯/甲基环己烷、乙苯/乙基环己烷、二甲苯/二甲基环己烷，以进一步验证TWPN的分离能力。实验表明，TWPN对它们具有同样高效的分离效果，而且使用过的TWPN还能通过加热再生，实现重复利用，这为精细化工行业的发展提供了新的想象空间，具有广阔的应用前景。