虎年第一篇nature-超強二維聚合物材料的不可逆合成

【引言】

?二維共價延伸的聚合物作為一種將傳統二維(2D)材料的機械強度和面內能量傳導與其一維對應材料的低密度、合成加工性和有機組成相結合的手段，最近引起了人們的關注。而二維聚合物早已被概念化，早在1935年就嘗試探索局限于空氣-水界面的兩親物的一維串聯。這項工作激發了利用表面模板2D聚合物的最新進展，有希望的策略可能使這些材料以可擴展的方式從模板中釋放出來。類似地，另一項工作首先通過可逆溶劑熱結晶合成了兩個共價有機框架，顯示了在三個維度上堆疊的層狀晶胞。然而，這些方法已被證明難以剝離或再加工成具有有用特性的工程材料。可逆合成方法似乎產生具有有限化學和機械穩定性的材料，因此很難進行后改性或剝離。最近，通過在溶劑熱條件下利用不可逆的親核芳族取代進行二維縮聚，取得了重大進展。與之前的例子不同，得到的散裝粉末在化學上是穩定的，這表明不可逆鍵合在接近一維(1D)聚合物系統的特性方面的重要性。相比之下，化學氣相沉積(CVD)能夠獲得大量具有有利面內機械性能的二維晶體材料。CVD通常需要的高溫排除了有機分子的聚合，因此一維聚合物的二維有機類似物迄今為止仍然難以捉摸。先前工作表明了不可逆化學路線的重要性，必須在溶劑熱或CVD合成方法之外，具有強平面內鍵合，使得溶液相剝離成為可能。

今日美國麻省理工學院Michael S. Strano教授展示了一種均勻的二維不可逆縮聚反應，它產生了一種化學穩定且高度可加工的共價鍵合二維聚合物材料。進一步加工產生高度取向、獨立的薄膜，其二維彈性模量和屈服強度分別為12.7±3.8千兆帕和488±57兆帕。這種合成路線為二維材料的應用提供了機會，從復合結構到阻隔涂層材料。相關研究成果以“Irreversible synthesis of an ultrastrong two-dimensional polymeric material”為題發表在Nature上。

【圖文導讀】

圖 1：二維聚合物材料的合成和表征。

圖 2：2DPA-1 納米薄膜的表征。

圖 3：2DPA-1 納米薄膜中的分子排列。

圖 4：2DPA-1 納米薄膜的機械性能。

文獻鏈接“Zeng, Y., Gordiichuk, P., Ichihara, T.?et al.?Irreversible synthesis of an ultrastrong two-dimensional polymeric material.?Nature?602,?91–95 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04296-3”

本文由春國供稿。