分子编织使聚合物复合材料更强而不影响功能

这种复杂的结构为聚合物链在形成和强度过程中穿线或包裹提供了支架。想象一下编织的围巾或篮子——单根纱线或麻线本身可能没什么作用，但当编织在一起时，图案会增强最终产品的整体性能。此外，当这些链编织在一起时，有时甚至化学反应也会进一步增强材料的性能。

2016年，加州大学伯克利分校化学教授OmarYaghi领导的Yaghi研究小组通过在3D空间中交错框架主干，实现了第一个分子编织结构。这些分子编织的COF晶体坚韧但极其柔韧，因为每个原子都有很高的自由度来移动，但也被锁定在适当的位置，并且作为一个整体，编织的晶体能够在应力过程中耗散能量以防止断裂。

今天与化学与材料科学与工程系教授徐婷一起;在材料科学与工程教授RobRitchie的带领下，该实验室目前正在利用孔隙率和分子编织，通过将聚合物股线穿过编织网络，使聚合物复合材料变得更强、更坚韧、更耐断裂。他们的研究结果发表在《科学》杂志的一篇论文中。

“这令人兴奋，因为大多数填充材料增强了一种机械性能，但却损害了另一种机械性能，”在Yaghi研究小组工作的化学学院博士研究生EphraimNeumann说。诺伊曼与徐和里奇的联合学生、去年从加州大学伯克利分校毕业(博士)的Junpyo(Patrick)Kwon分享了他的第一作者身份。

但为什么COF本身对日常生活如此有用呢?一个例子是，由于COF具有出色的孔隙率，因此广泛用于储存和分离氢气和甲烷等气体。氢气和甲烷都是清洁能源载体，可用于燃料电池和内燃机。储存它们可以使其用于运输和发电，而不会产生有害排放。

现在，这项新研究表明聚合物复合材料可以变得更加耐用，其应用和用途具有更广泛的影响。

“在这种情况下，当我们将少量(1%)这些编织COF晶体添加到其他材料(例如聚合物或塑料)中时，这些材料会变得更加坚韧，并且对损坏和断裂具有很高的耐受性。这可能会对材料行业产生巨大影响。”Yaghi说道。

例如，几乎每台笔记本电脑和电线中都存在聚酰亚胺，它是本研究中研究的聚合物之一。通过添加编织COF纳米晶体，该团队能够在不影响其热稳定性的情况下提高聚合物的机械性能。这表明该技术可以延长这些复合材料的使用寿命。“或者，如果材料变得更有弹性，人们可以使用更少的材料来达到相同的结果，”诺依曼假设。聚酰亚胺也可以在美国宇航局使用的太阳帆中找到，因为它经常被用作支撑材料，为许多应用提供热和机械耐久性。

“塑料产品的许多特性都依赖于聚合物链的缠结，”徐说。“我最喜欢的类比是天使发面食和领结面食如何对盘子中的漩涡做出反应。添加这些晶体COF的纳米颗粒可以模拟这些长链在空间上的排列方式，并使整个板协同工作。拉出链、从COF纳米粒子中分离出聚合物并从头开始重新进行该过程也变得可行。”

在思考这可能如何影响材料以外的行业时，Neumann总结道：“虽然这一发现侧重于特定聚合物，但使用多孔分子编织COF来增强机械性能的基本概念可以扩展到许多其他材料。”

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