南京大學Cell?Reports?Physical?Science：基于氫鍵作用的高強度自修復材料

超分子聚合物是通過單體分子間的非共價弱相互作用自組裝而成的。由于非共價弱相互作用具有動態可逆的特點，超分子聚合物被賦予了區別于傳統高分子的諸多特殊性能，包括可循環加工性、環境響應性、自適應性和自修復性等。這些獨特而又優異的性質使超分子聚合物在智能材料、環境友好材料、生物醫用材料等領域具有廣泛的應用前景。但是相較于傳統高分子，超分子聚合物單體分子間作用相對較弱，其力學強度往往較低。因此研發出高強度多功能性的超分子聚合物具有重要的意義。

近期，南京大學化學化工學院李承輝教授等人利用分子間的高密度氫鍵作用與低結晶性，制備了可自修復且具有優異變剛度性質的高強度超分子聚合物。研究人員通過1,2-雙(2-氨基乙氧基)乙烷和丙烯酸的Michael加成反應制備了一種含有四羧乙基結構的新型小分子EGTPA，該分子通過分子間的高密度氫鍵作用與低結晶性可得到超分子聚合物(圖 1)。分子中的眾多羧基和主鏈上的氧原子可以形成致密的氫鍵，使材料EGTPA在室溫下的楊氏模量達到1.1 GPa，為堅硬固體，其T_g為28 °C?（圖 2）。

圖1： EGTPA的合成與表征

圖2： EGTPA的變剛度性質

同時，由于多種氫鍵作用的隨機存在和羧乙基結構的影響，從XRD圖中可以看出材料具有低結晶性。因為高密度動態氫鍵的存在，材料具有極為優異的變剛度性質，從25 °C 到125 °C的溫度變化下，其儲能模量變化(G’₂₅/G’₁₂₅)高達50000。同時材料在較穩和條件下可實現自修復，60 °C下加熱10分鐘便可達到90%的應力修復。研究人員利用該材料優異的變剛度性質將其與彈性材料復合，實現“高溫變剛度形變—低溫高強度定型—加熱恢復形變”的類形狀記憶效應，提供了一種自制“形狀記憶材料”的策略，以滿足特定的應用需求（圖3）。

圖3： 自制“形狀記憶材料”

以上工作以“A Supramolecular Polymer Formed by Small Molecules”為題發表在Cell出版社旗下開放獲取期刊《Cell?Reports?Physical?Science》上。

Min-Hao Zhang, Cheng-Hui Li, Jing-Lin Zuo, A Supramolecular Polymer Formed by Small Molecules. Cell Reports Physical Science, 2020, DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100144

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https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100144

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