史上最高机械键密度的聚合物有望引发革命性应用

多年来，研究人员一直试图开发具有机械键的聚合物，但发现让聚合物形成机械键几乎是不可能的。来自美国西北大学和杜克大学的科学家们，一项开创性的进展，他们开发出了一种具有锁子甲般坚固和灵活特性的二维机械互锁聚合物。这种新型材料的机械键密度达到了创纪录的每平方厘米100万亿个，展现出卓越的柔韧性和强度，有望在轻质防护装备和其他高需求领域得到革命性应用。研究成果发表在《Science》杂志上。 

图：显示了 X 形单体如何相互连接以创建第一个 2D 机械互锁聚合物。与锁子甲类似，该材料表现出非凡的强度

研究人员首先将X形单体排列成一种高度有序的晶体结构，然后通过与另一种分子反应，使这些单体之间形成机械键。最终形成的晶体由多层二维互锁聚合物片组成，这些聚合物片在溶液中可以相互剥离。通过电子显微镜技术，研究人员在纳米尺度上观察到聚合物的高度结晶性，确认了其互锁结构，并显示出其高度的柔韧性。形成每个重复单元都包含一个大环和机械键的二维聚合物。这种二维聚合物具有每平方微米高达10⁶个机械键的密度，是目前已知最高的。  

图：二维机械互锁聚合物（2D MIM）的合成 

图：二维机械互锁聚合物（2D MIM）的纯化、表征和剥离 

图：二维机械互锁聚合物（2D MIM）的扫描透射电子显微镜（STEM）和透射电子显微镜（TEM）图像

这种新型材料不仅具有极高的机械键密度，还能够大规模生产。研究人员已经成功制备了半公斤这种新材料，并认为随着其最有前景的应用逐渐显现，生产更大数量的材料也是可能的。此外，研究人员还将这种新材料添加到Ultem中，开发出了一种复合材料，其中97.5%为Ultem纤维，仅2.5%为二维聚合物。这一小比例的添加显著提高了Ultem的整体强度和韧性，拉伸模量（E'）提高了45%，拉伸强度提高了22%。这些结果表明，这种新型二维聚合物在增强复合材料性能方面具有巨大的潜力。

这种新型材料不仅具有极高的机械键密度，还能够大规模生产。研究人员已经成功制备了半公斤这种新材料，并认为随着其最有前景的应用逐渐显现，生产更大数量的材料也是可能的。此外，研究人员还将这种新材料添加到Ultem中，开发出了一种复合材料，其中97.5%为Ultem纤维，仅2.5%为二维聚合物。这一小比例的添加显著提高了Ultem的整体强度和韧性，拉伸模量（E'）提高了45%，拉伸强度提高了22%。这些结果表明，这种新型二维聚合物在增强复合材料性能方面具有巨大的潜力。

 图：二维机械互锁材料（2D MIM）和Ultem纤维复合材料。（A）扫描电子显微镜（SEM）图像展示了平均纤维直径小于5微米，并且纤维高度排列在滚筒旋转方向（垂直方向）上。（B）拉伸曲线展示了二维机械互锁材料（2D MIM）提供的力学增强效果。加入高度剥离的2D MIM填料后，复合材料的极限应力和拉伸模量（E'）在2.5重量百分比（wt%）的MIM含量时达到最高，之后力学性能开始下降。（C）对不同组成比例的二维机械互锁材料（2D MIM）-Ultem聚醚酰亚胺复合纤维的拉伸性能进行了统计分析。含有2.5 wt% MIM的样品展现出最高的拉伸模量和极限拉伸强度（UTS），但所有组成比例的样品相比纯Ultem纤维，断裂伸长率都有所降低。未显示的所有成对比较结果均具有显著性差异。ns，表示不显著。

研究人员设想，这种新材料未来可能作为一种特种材料，用于轻质防护装备和防弹织物。尽管还需要进行更多的分析，但研究人员已经发现它显著提高了复合材料的强度。几乎每一种他们测量的性能都以某种方式表现出色。

（来源：美国西北大学）