导语
曲大辉教授简介
华东理工大学化学与分子工程学院院长、教授、博导。2006年华东理工大学化学与分子工程学院博士毕业，师从田禾院士，获全国百篇优博；随后进入荷兰格罗宁根大学诺贝尔化学奖得主Ben L. Feringa教授课题组从事博士后研究。2009年回国后建立课题组进行有机功能分子机器和超分子化学的研究。在Chem. Rev., Science Advances, Chem, Nat. Comm. J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Chem. Sci.等国际一流杂志上发表SCI论文90余篇，被SCIE引用3000余次。曾获2008年度全国百篇优秀博士学位论文奖以及2010年度霍英东教育基金会高等院校青年教师基金，入选2010年上海市浦江人才计划、2019年上海市优秀青年学术带头人计划。
前沿科研成果 基于拉链式滑环效应的高性能超分子弹性体 高性能弹性体材料具有优异的机械强度和拉伸性能，应用于可穿戴设备、人造肌肉、柔性电子设备等领域。然而，在机械强度和可拉伸性之间总是存在权衡。近年来，将机械交联分子作为滑环交联剂引入聚合物网络以提高聚合物性能的策略得到了广泛的研究。各种机械联锁系统已经建成。但是，仍然存在一些挑战:(i)通常情况下，一些性能改进将牺牲其他性能特性。这使得很难同时提高弹性体的刚度和可拉伸性。(ii)大多数环滑移效应适用于低模量的凝胶体系，但在干网络中没有得到充分的报道。为了解决这些问题，需要一种新的设计来获得具有多种优良性能的弹性体材料。 该研究团队将拟轮烷交联剂巧妙地引入具有丰富的氢键堆积域的聚氨酯网络，得到兼具主客体相互作用和氢键作用的超分子聚合物网络。利用极少量（0.5 mol%）的拟轮烷交联剂就可以使聚氨酯的机械强度提高950%，伸长率提高650%，断裂能提升4470%。（图1）这种拉链式的滑环聚氨酯是目前所报道的机械性能最佳的滑环类弹性体。
研究人员在室温下将拟轮烷通过简单掺杂与聚氨酯网络交联，然后进行溶剂蒸发，得到性能优异的透明薄膜。经过一系列拉伸对比实验，发现聚氨酯的力学性能与拟轮烷交联剂的浓度有关。0.5 mol%的拟轮烷使聚氨酯的最大机械强度达45.06 MPa，最大延伸率达1890%。而过量的拟轮烷大基团反而破坏氢键的形成，干扰双交联网络的结构平衡，从而导致机械性能变差。此外，增加应变速率会导致断裂伸长率的降低，表明存在能量耗散机制。应力应变曲线表明，由于聚合物网络中的氢键耗散滑环效应，拟轮烷交联弹性体的机械性能与纯聚氨酯相比显著提高。（图2）
傅立叶变换红外光谱和X射线衍射图谱表明聚合物链之间形成了氢键，而聚合物链与拟轮烷的交联会部分影响氢键的聚集和有序的节段结构。值得注意的是，拉伸后的拟轮烷交联聚氨酯衍射峰的宽化表明在机械拉伸作用下的氢键断裂，形成非晶态结构域。基于力学性能和结构表征,研究人员认为拉伸性能的增强可归因于拟轮烷在聚合物链上的长距离移动,而机械强度的增加是由于拟轮烷的主客体相互作用比氢键具有更高的解离能。此外拟轮烷的滑动导致聚合物链之间的氢键断裂，增加了链滑动的能量屏障。动态力学分析也进一步证明拟轮烷交联的聚氨酯具有更稳定的流变性能和更低的玻璃态转化温度。（图3）
综上所述，研究人员成功地将一种类似拉链的拟轮烷交联剂与含有氢键晶体结构域的聚氨酯网络相结合，得到兼具高强度和高拉伸性的超分子弹性体材料，其关键机制在于聚合物网络中环滑效应和氢键晶体域的协同作用。这一新策略将推动机械键化学向高性能弹性体材料的发展，并进一步应用于柔性电子、软体机器人等领域。
这一成果近期发表于Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202000345）。该工作由博士生施晨宇、张琦博士在曲大辉教授的指导下完成，并得到了田禾院士的悉心指导。该研究工作得到了国家自然科学基金委重大项目、基础科学中心、上海市重大科技专项等项目资金的支持，表征工作得到了华东理工大学分析测试中心的大力支持。
联系客服
