【科研速递】材化学院李世军教授团队在Angew Chem报道了一种高性能机械互锁聚合物

近日，我校材料与化学化工学院李世军教授团队在机械互锁型超分聚合物领域取得新进展，相关研究成果以题为Polyurethane Elastomers Strengthened by Pseudo[1]rotaxanes Based on Pillararenes发表于国际知名化学期刊Angew. Chem. Int. Ed.（IF=16.1）上，并被选为Hot Paper。

聚合物链的拓扑结构是决定聚合物力学性能的一个非常重要的因素。轮烷，因其独特的机械互锁结构，使其构筑组分间能够发生滑动或者转动的相对运动，这种独特的运动机制非常适合于聚合物网络的能量耗散。另一方面，可逆的环状互锁结构使高分子链在力的作用下释放预先储备的链段也有助于提升材料的韧性。将准[1]轮烷这种自互锁类环状拓扑结构引入到聚合物主链中，可望能够同时实现这两种运动机制，从而协同增强高分子材料的力学性能。

基于此，李世军教授团队通过合理的分子设计，制备了一种同时含有羟基与氨基的柱[5]芳烃，该柱[5]芳烃可以通过分子内氢键自发形成准[1]轮烷（图1）。该准[1]轮烷具有可释放的烷基链。再将它引入到聚合物主链上，构筑了基于具有弹簧状结构的柱芳烃准[1]轮烷的聚氨酯弹性体（图2）。

图1 带有羟基与氨基的准[1]轮烷的合成示意图

图2 基于柱芳烃准[1]轮烷的聚氨酯弹性体的制备示意图

研究表明，含准[1]轮烷的聚氨酯弹性体具有良好的可见光透过率（图3a）。准[1]轮烷的引入赋予了聚氨酯主链特殊的类环状自互锁拓扑结构，明显增强了弹性体的力学性能（图3b-f）。

图3 基于柱芳烃准[1]轮烷的聚氨酯弹性体的基本性能表征

此外，作者还发现通过硫醚与金属离子的配位键交联可继续提升聚合物的力学性能。添加适量的溴化亚铜后进一步提高了聚氨酯的拉伸强度、断裂伸长率和韧性。

这项工作为利用柱芳烃轮烷基元来构筑高强度超分子聚合物网络、设计与开发具有特殊拓扑结构的高性能智能材料提供了新的思路。

论文第一作者为材化学院2023届硕士生何浪，这是他硕士期间研究工作发表的第3篇一区SCI论文（前两篇分别发表在Nature Communications 2024, 15, 3050、Macromolecules 2024, 57, 7777–7786），材化学院李世军教授、张子彬副教授为共同通讯作者，浙江大学李光锋博士和黄飞鹤教授等在材料表征方面提供了大力帮助，杭州师范大学为第一完成单位。该研究得到国家自然科学基金项目和浙江省自然科学基金重点项目等的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202421557