翁文桂副教授课题组高分子力化学发表于Nature Communications

发布日期:2017-10-30     浏览次数:1098次    发布者:黄伟珺    

     我院翁文桂副教授课题组与吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室张文科教授课题组以及英国利物浦大学化学系Roman Boulatov教授课题组合作在高分子力化学取得重要进展,相关研究成果以“Multi-modal mechanophore based on cinnamate dimers”为题于2017年10月27日在线发表于《自然-通讯》(Nature Communications, 2017, doi:10.1038/s41467-017-01412-8)。

      当代高分子力化学是一门从分子尺度上研究和调控材料对机械力响应性的学科。常见的方法是在高分子骨架上引入特定的力敏感单元(力敏团,mechanophore)。在外力作用下,力敏团发生化学反应并进一步改变局部的物理和化学性质,从而实现材料的增韧、损伤探测、自修复、自增强等功能。如何制备对外力敏感程度不同的力敏团并融合多种力响应特性,是高分子力化学研究面临的巨大挑战之一。翁文桂副教授团队设计了一类环状肉桂酸二聚体力敏团,具有以下特性:(1)受力开环生成肉桂酸单体,且对机械力的敏感程度可调。此过程伴随体系共轭程度的改变,引起吸收和(或)荧光性质的改变,具有潜在的损伤探测的特性;(2)断裂后可释放出冠醚链,有效耗散形变能,缓解应力集中现象;(3)生成的肉桂酸单体具有光化学活性,可再次生成二聚体,起到自修复、自增强的作用。

      量子力学计算表明肉桂酸二聚体中的环丁烷基元的开环解离所需的外力与二聚体的立体构型、外力的作用位置、冠醚链的连接位置和长短等有关,在1-2 nN左右可调,低于通常高分子主链单键解离所需外力(> 5 nN)。包含多个顺反肉桂酸二聚体的共聚物分子,其单链力化学特性呈现两个锯齿平台。平台对应外力以及锯齿间平均距离与量化计算结果完美复合。整个力活化过程可增长聚合物骨架长度2倍以上,耗散应变能多达600 kcal/mol,是制备超强超韧的聚合物材料的理想候选。同时也是首次以共价键单元模仿肌联蛋白等生物大分子的解折叠过程和增韧机理,具有十分重要的理论和现实意义。共聚物的溶液超声实验表明肉桂酸二聚体能在宏观形变中解离,同时伴随着体系紫外吸收的改变有望应用于损伤探测。此外,生成的肉桂酸单体具有光化学反应活性,能够进行重新二聚和其他反应,可用于材料损伤后的修复、增强等,能够有效提升材料的安全性和使用寿命。以上工作从量化计算、单链力化学、宏观力化学等多个尺度上研究了肉桂酸二聚体力敏团的解离机理、力化学动力学和多重力响应模式,为后续多模式力敏团的设计合成和力响应材料的开发提供了范例。

                     

    本工作是以翁文桂教授课题组为主导,通过校际、国际合作完成的。其中单分子力谱由张文科教授课题组完成,量化计算由Boulatov教授完成,学院苏培峰副教授及其硕士生唐振也在量化计算过程中提供了帮助。

    该工作得到国家自然科学基金面上项目(批准号21574108)和国家自然科学基金青年科学项目(批准号21304076)的资助。

    论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-017-01412-8