近日，上海交通大學(xué)顏徐州教授團隊在化學(xué)綜合性期刊Journal of the American Chemical Society上發(fā)表了題為“具有稠密輪烷骨架結(jié)構(gòu)的機械互鎖聚合物氣凝膠(Mechanically Interlocked Aerogels with Densely Rotaxanated Backbones)”的研究論文。該論文基于準(zhǔn)輪烷分子構(gòu)建了具有機械互鎖交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的氣凝膠材料，所制備的氣凝膠材料具有優(yōu)異的響應(yīng)性和自適應(yīng)性，為設(shè)計智能型氣凝膠材料提供了新的思路，并推動了機械互鎖分子在材料領(lǐng)域中的發(fā)展。
機械互鎖分子（MIM）是由兩個或多個在空間中通過機械鍵糾纏的分子元素組成。其中，機械鍵在不破壞相關(guān)共價鍵的情況下無法分離，從而確保了MIM具有高度的構(gòu)象自由度（如伸長、旋轉(zhuǎn)、滑動和扭曲等），同時保持了結(jié)構(gòu)完整性，因而在開發(fā)人工分子機器中發(fā)揮關(guān)鍵作用。氣凝膠是由溶膠-凝膠工藝的制備得到的多孔塊體材料，憑借低密度、高孔體積、高表面積和整體特性，在許多重要領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，但缺乏動態(tài)性和自適應(yīng)性。將機械鍵整合到氣凝膠中不僅會產(chǎn)生具有新穎化學(xué)結(jié)構(gòu)和新興特性的氣凝膠，而且為進(jìn)一步開發(fā)機械互鎖材料創(chuàng)造機會。然而，探索利用MIM來構(gòu)建具有更高復(fù)雜度和更豐富功能的氣凝膠材料卻極具挑戰(zhàn)。
近兩年，上海交通大學(xué)顏徐州團隊基于動態(tài)化學(xué)制備出一種基于亞胺鍵交聯(lián)的新型氣凝膠材料，即動態(tài)共價聚合物氣凝膠（Dynamic Covalent Polymer Aerogels, DCPAs）（Natl. Sci. Rev. 2022, 9, nwac012）。
該氣凝膠除傳統(tǒng)的性能和功能外，由于分子層次上動態(tài)鍵的引入，可實現(xiàn)“回爐重造”的閉環(huán)全回收過程。為了推動氣凝膠的進(jìn)一步智能化發(fā)展，近期他們以分子內(nèi)可運動的輪烷分子作為氣凝膠的模塊基元，經(jīng)過聚合后，成功制備了由機械互鎖聚合物網(wǎng)絡(luò)搭建而成的新型氣凝膠材料，即機械互鎖氣凝膠（Mechanically Interlocked Aerogel, MIA）。
這一類新型凝膠骨架中含有稠密的機械鍵，在受到外界刺激時，可發(fā)生分子內(nèi)滑動和網(wǎng)絡(luò)形變，從而使MIA表現(xiàn)出響應(yīng)性和自適應(yīng)性。
基于特有的連續(xù)的三維納米及亞微米多孔結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的機械性能和特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，所得機械互鎖氣凝膠表現(xiàn)出多功能性，如碘吸附、隔熱、選擇性移除染料等。該研究為在分子水平上設(shè)計智能氣凝膠并推進(jìn)機械互鎖分子的實用化進(jìn)程提供了新的視角。
