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Science Advances报道课题组动态共价二硫聚合物材料研究进展
发布时间:2022-02-13

 当今高速发展的人类社会和科技转型使得智能材料的设计和开发成为构建新一代智能制造工业体系的关键核心之一。发现和拓展动态分子基元是构筑动态智能材料的化学基础。近日,我校化学与分子工程学院曲大辉研究团队在动态共价二硫聚合物材料领域再次取得突破,相关研究成果发表于《科学进展》(Science Advances2022, 8, abk3286)。


    近年来,我校田禾院士和曲大辉教授课题组开发了一类基于天然小分子硫辛酸的动态超分子材料,在自修复弹性体,有序组装聚合物薄膜,化学回收高分子等方面已取得系列进展(Science Advances2018, 4, eaat8192; J. Am. Chem. Soc.2019, 141, 12804-12814; Angew. Chem. Int. Ed.2020, 59, 5278-5283; Matter2021, 4, 1352-1364; J. Am. Chem. Soc.2022, 10.1021/jacs.1c10359)。然而,该体系由于其依赖羧基的非共价交联作用,如氢键、金属配位键、离子键等,难以形成机械坚固的高性能材料,使得这类材料的应用仅限于软材料领域。为了解决这一根本问题,研究人员在原本硫辛酸分子基元的基础上,通过一步化学修饰得到可量产制备的硫辛酰肼 (Thioctic acylhydrazine, TAH)。通过X射线单晶结构发现,该TAH基元的酰肼侧链能够自组装形成高密度的网状氢键结构(reticular H-bonds),且每个酰肼基元能够形成6根分子间氢键。这一独特的氢键缔合单元也使得聚硫辛酰肼材料的杨氏模量相比于聚硫辛酸材料提高了2个数量级,且能够在催化聚合条件下进一步提升至超过0.3 GPa级别,这一简单结构变化带来的性能飞跃也使得聚硫辛酸类材料的拉伸模量范围首次覆盖到工程塑料的范围(与聚四氟乙烯相当),本质上拓展了该类材料的应用范畴。同时,该高模量材料由于其化学键的动态性,能够实现温和条件下(30-40度)的高效自修复和机械再加工,为延伸高性能聚合物材料的使用寿命、促进塑料工业的可持续发展提供了新的策略。


    该研究工作主要由我校博士生邓媛昕完成,得到了我校田禾院士、曲大辉教授、
Ben L. Feringa教授的悉心指导。该工作得到国家自然科学基金、材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心、上海市科技重大专项、上海科学技术委员会、费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心、中国留学基金委等项目资金支持。


相关论文信息:

Acylhydrazine-based reticular hydrogen bonds enable robust, tough, and dynamic supramolecular materials

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk3286