虎年第一篇nature-超强二维聚合物材料的不可逆合成

【引言】

二维共价延伸的聚合物作为一种将传统二维(2D)材料的机械强度和面内能量传导与其一维对应材料的低密度、合成加工性和有机组成相结合的手段，最近引起了人们的关注。而二维聚合物早已被概念化，早在1935年就尝试探索局限于空气-水界面的两亲物的一维串联。这项工作激发了利用表面模板2D聚合物的最新进展，有希望的策略可能使这些材料以可扩展的方式从模板中释放出来。类似地，另一项工作首先通过可逆溶剂热结晶合成了两个共价有机框架，显示了在三个维度上堆叠的层状晶胞。然而，这些方法已被证明难以剥离或再加工成具有有用特性的工程材料。可逆合成方法似乎产生具有有限化学和机械稳定性的材料，因此很难进行后改性或剥离。最近，通过在溶剂热条件下利用不可逆的亲核芳族取代进行二维缩聚，取得了重大进展。与之前的例子不同，得到的散装粉末在化学上是稳定的，这表明不可逆键合在接近一维(1D)聚合物系统的特性方面的重要性。相比之下，化学气相沉积(CVD)能够获得大量具有有利面内机械性能的二维晶体材料。CVD通常需要的高温排除了有机分子的聚合，因此一维聚合物的二维有机类似物迄今为止仍然难以捉摸。先前工作表明了不可逆化学路线的重要性，必须在溶剂热或CVD合成方法之外，具有强平面内键合，使得溶液相剥离成为可能。

今日美国麻省理工学院Michael S. Strano教授展示了一种均匀的二维不可逆缩聚反应，它产生了一种化学稳定且高度可加工的共价键合二维聚合物材料。进一步加工产生高度取向、独立的薄膜，其二维弹性模量和屈服强度分别为12.7±3.8千兆帕和488±57兆帕。这种合成路线为二维材料的应用提供了机会，从复合结构到阻隔涂层材料。相关研究成果以“Irreversible synthesis of an ultrastrong two-dimensional polymeric material”为题发表在Nature上。

【图文导读】

图 1：二维聚合物材料的合成和表征。

图 2：2DPA-1 纳米薄膜的表征。

图 3：2DPA-1 纳米薄膜中的分子排列。

图 4：2DPA-1 纳米薄膜的机械性能。

文献链接“Zeng, Y., Gordiichuk, P., Ichihara, T.et al.Irreversible synthesis of an ultrastrong two-dimensional polymeric material.Nature602,91–95 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04296-3”

本文由春国供稿。