第一作者：顧宇煒
通訊作者：Jeremiah Johnson
通訊單位：美國麻省理工學(xué)院
研究亮點(diǎn)：
1. 首次提出并實(shí)現(xiàn)“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換”作為刺激響應(yīng)性高分子網(wǎng)絡(luò)材料的設(shè)計(jì)理念。
2. 實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料多種性質(zhì)的協(xié)同調(diào)控。
聚合物網(wǎng)絡(luò)鏈和結(jié)之間的拓?fù)溥B接，例如：分支功能，循環(huán)缺陷，糾纏和密度波動(dòng)等，長期以來一直與決定聚合物網(wǎng)絡(luò)的整體性質(zhì)有關(guān)。隨著用于聚合物網(wǎng)絡(luò)表征的新合成方法和表征手段的出現(xiàn)，最近的研究表明：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為聚合物網(wǎng)絡(luò)的少數(shù)全球參數(shù)之一，在確定彈性，凝膠點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)等材料特性中起著關(guān)鍵作用。
有鑒于此，麻省理工學(xué)院Jeremiah Johnson課題組利用紫外/可見光首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)高分子網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可逆轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料多種性質(zhì)的協(xié)同調(diào)控。
圖1 高分子網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光控轉(zhuǎn)換
研究人員假設(shè)聚合物金屬-有機(jī)籠（polyMOC）網(wǎng)絡(luò)為拓?fù)淇汕袚Q的材料提供理論途徑。在polyMOC中，網(wǎng)絡(luò)連接是具有確定形狀和化學(xué)計(jì)量的納米級(jí)金屬配體（MxLy）籠，同時(shí)受到刺激響應(yīng)方式調(diào)節(jié)MOC構(gòu)象的最新發(fā)展的啟發(fā)，通過基于聚（乙二醇）的聚合物配體的設(shè)計(jì)和合成，利用紫外/可見光首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)高分子網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可逆轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料多種性質(zhì)（例如材料的模量，動(dòng)態(tài)性，自愈合行為等）的協(xié)同調(diào)控。
兩種不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲g的光調(diào)制互換的示意圖如圖。光響應(yīng)MOC被引入作為polyMOC內(nèi)的結(jié)。在UV照射下，MOC結(jié)構(gòu)從Pd3L6重排為Pd24L48。因此，改變了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。用綠光反轉(zhuǎn)MOC結(jié)構(gòu)可以重新生成原始網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/span>
圖2 高分子網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光控轉(zhuǎn)換
圖3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)表征和計(jì)算模擬
圖4 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的材料動(dòng)態(tài)性的轉(zhuǎn)變
圖5 材料的疲勞性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)表征
總之，此項(xiàng)工作首次提出了“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換”作為刺激響應(yīng)性高分子網(wǎng)絡(luò)材料的設(shè)計(jì)理念，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料多種性質(zhì)的協(xié)同調(diào)控。該設(shè)計(jì)理念有望用于智能自修復(fù)材料，光驅(qū)動(dòng)材料，高度可控的藥物遞送及細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)等諸多領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)：
Gu Y, Alt E A, Wang H, et al. Photoswitching topology in polymer networks with metal–organic cages as crosslinks[J]. Nature, 2018.
DOI: 10.1038/s41586-018-0339-0
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0339-0
