黃建濱、閻云課題組在超分子薄膜構(gòu)筑方法上取得重要進(jìn)展
結(jié)塊過程經(jīng)常在固體顆粒上發(fā)生，是人們?nèi)粘Ｉ钪袠O為常見的一種現(xiàn)象，它是由分散的粉末顆粒間橋連形成連續(xù)的團(tuán)塊固體所引起的。而工業(yè)上，由于結(jié)塊現(xiàn)象極易導(dǎo)致固體產(chǎn)品質(zhì)量的降低乃至功能性的喪失，這一過程在食品、藥制品等工業(yè)的生產(chǎn)與儲(chǔ)存運(yùn)輸中都是需要去盡量避免的。因此，千百年來，人們一直竭力于尋找消除結(jié)塊過程的方法，但卻鮮有能夠利用結(jié)塊過程的報(bào)道。而與此同時(shí)，人們?cè)跇?gòu)筑宏觀塊體薄膜材料上也傾注了大量的精力。為了得到塑性薄膜，人們通常會(huì)對(duì)高聚物溶液揮干溶劑或?qū)Ω叻肿拥娜垠w進(jìn)行熱塑成型，從而造成大量的能量消耗。因此，亟待發(fā)掘簡(jiǎn)單、節(jié)能、高效的新型薄膜材料構(gòu)筑方法。
近期，黃建濱、閻云課題組則將結(jié)塊過程與構(gòu)筑塑性薄膜相結(jié)合，正向地將結(jié)塊的原理應(yīng)用于由粉末材料向連續(xù)的液晶相超分子薄膜的構(gòu)筑上，提出了一種全新且十分簡(jiǎn)便的構(gòu)筑薄膜材料的方法。首先，一種大頭基的表面活性劑(DEAB)可以與反電荷的多頭配體(TPE-BPA)得到一種納米尺寸的無(wú)規(guī)配位簇，而后金屬離子(Zn2+)的加入則可迅速使之交聯(lián)形成無(wú)定形的白色沉淀物。通過自發(fā)的結(jié)塊過程，沉淀中的分子可進(jìn)一步發(fā)生重排運(yùn)動(dòng)，并使其由白色粉末狀的固體在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變形成透明且可自支撐的薄膜材料。
圖1 通過結(jié)塊過程自發(fā)成膜
這種超分子薄膜材料的力學(xué)性質(zhì)與塑性高分子相近，抗張強(qiáng)度為(0.65 ± 0.16) MPa，但卻具備在室溫及適宜的濕度環(huán)境下通過手指尖的壓力完成修復(fù)與鑄造的能力。力學(xué)測(cè)試表明這種可塑超分子薄膜在數(shù)十次的重鑄后也不會(huì)出現(xiàn)疲勞和強(qiáng)度降低，預(yù)示著其優(yōu)越的材料工程性能。
圖2 指壓成膜與多種加工圖案
基于這種“自下而上”的方法，許多的功能組分都可以被引入膜中，使其成為一個(gè)通向多功能材料發(fā)展的平臺(tái)，例如摻入染料分子可以實(shí)現(xiàn)多色發(fā)光器件的構(gòu)筑、摻入指示劑分子可以制成污染性氣體傳感薄膜等。此外，研究者還驗(yàn)證了這種策略可拓展至其它的化學(xué)設(shè)計(jì)中，如不同的多頭配體、不同的表面活性劑分子、不同的金屬離子甚至不同的非共價(jià)作用方式，從而得到基于不同化學(xué)組成所構(gòu)筑的超分子薄膜。研究者期待這種策略能夠?yàn)樾滦统肿訅K體薄膜材料的發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)造，提供一種全新的制備方法與研究視角。
圖3 構(gòu)筑策略總體圖示
該研究成果以“Caking-Inspired Cold Sintering of Plastic Supramolecular Films as Multifunctional Platforms”為題，以 Front piece paper的形式發(fā)表于2018年7月12日的《先進(jìn)功能材料》Advanced Functional Materials上（2018,1803370，DOI: 10.1002/adfm.201803370），并被Nature新聞選為研究熱點(diǎn)在7月24日作簡(jiǎn)訊報(bào)道。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院閻云副教授為該文通訊作者，研究生謝蒙琪為該文第一作者，香港科技大學(xué)唐本忠院士指導(dǎo)了配體分子的合成。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委等項(xiàng)目的支持。
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