由互锁分子组成的新型链甲材料坚韧 灵活且易于制造

加州大学伯克利分校的化学家们从数百万个相同的、互锁的分子中创造出一种新型材料，这种材料首次允许合成广泛的2D或3D结构，这些结构灵活、坚固且有弹性，就像保护的链甲一样中世纪的骑士。

这种被称为无限链烷的材料可以在一个化学步骤中合成。

法国化学家让-皮埃尔·索瓦日(Jean-PierreSauvage)因合成第一个链烷——双环而分享了2016年诺贝尔化学奖。这些结构是制造能够移动的分子结构的基础，通常被称为分子机器。

但是链烷烃的化学合成仍然很费力。将每个额外的环添加到链烷需要另一轮化学合成。在Sauvage创造出双环链烷烃后的24年里，化学家最多只获得了130个相互交织的环，这些环的数量太小，没有电子显微镜是看不到的。

加州大学伯克利分校化学教授OmarYaghi实验室生产的新型链烯可以在三个维度上以无限数量的连接单元生产。由于各个单元机械互锁并且不通过化学键连接，因此结构可以弯曲而不会断裂。

“我们认为这具有非常重要的意义，不仅在制造不会断裂的坚韧材料方面，而且在用于机器人、航空航天和装甲服等类似材料方面，”Yaghi、James和Neeltje说。Tretter化学讲座教授，Kavli能源纳米科学研究所和巴斯夫加州研究联盟的联合主任，以及加州大学伯克利分校巴卡尔地球数字材料研究所的首席科学家。

Yaghi和他的同事，包括加州大学伯克利分校的博士后研究员、第一作者马天琼，本周在《自然合成》杂志上报道了化学过程的细节。

网状化学

使用Yaghi30多年前发明的一种化学类型：网状化学，可以实现链烷生产的飞跃。他将其描述为“通过强键将分子构建块缝合到结晶的扩展结构中”。

他使用这种技术制造了廉价的多孔材料——金属有机框架(MOF)和共价有机框架(COF)——事实证明，它们可用于捕获、储存或分离二氧化碳、氢气和水蒸气等气体。迄今为止，已经制造了超过100,000种MOF。

要制造MOF，只需合成正确的杂化分子——连接到有机配体的金属簇——并将它们混合在溶液中，使它们连接起来形成刚性和高度多孔的3D网络。选择框架内的化学基团来结合和释放(取决于温度)特定分子并排斥其他分子。

Yaghi创造的一种MOF甚至可以从最干燥的空气中吸取水分，然后在加热时将其释放，从而在沙漠中捕获水分。

为了制造链烷烃，Yaghi和Ma合成了一种分子，该分子在两个相同的半部分之间交叉，并通过铜原子共价连接。这种结构，他们称之为catena-COF，让人联想到两个相连的回旋镖，它们在交叉处有一个铜原子。当混合时，这些分子连接起来形成一个由互锁构件组成的多孔3D网络。积木是一种称为金刚烷的多面体分子，基本上锁定它们的六个臂以形成一个扩展的框架。

“这里的新鲜事是建筑单元有这些交叉口，并且由于交叉口，你会得到具有有趣、灵活和弹性特性的联锁系统，”Yaghi说。“它们被编程为一步一步聚集在一起。这就是网状化学的力量。不是一次将它们构建一个单元以形成更大的结构，你实际上已经对它们进行了编程，以便它们聚集在一起并自行生长”

可以对具有交叉的分子进行化学改变，以便最终的链烷与特定化合物相互作用。Yaghi将这些材料称为(∞)链烷，使用符号表示无穷大。

他说：“我认为这是朝着制造可以弯曲并可能响应刺激(如特定运动)而变硬的材料迈出的第一步。”“因此，在某些方向上，它可能非常灵活，而在某些其他方向上，它可能会变得僵硬，这只是因为结构的构建方式。”

他指出，虽然这些链烷在微观水平上向三个方向延伸，但它们可以做得足够薄以用于二维用途，例如在服装中。最近，一些科学家报告说，他们已经通过3D打印创建了MOF和COF，因此3D打印链烷也有可能，就像织布一样。

“传统上，这种互锁是通过一个多步骤、艰巨的过程完成的，只制造具有一个或两个或三个互锁环或多面体的分子。但要制造具有惊人特性的材料，如韧性和弹性，你需要数百万和数百万将进行这些联锁，”他说。“制造它们的传统方法并不能解决问题。网状化学与积木方法一起出现，并找到了一种一步完成的方法。这真的是这份报告的力量。”