Mechanisch verbonden 2D Chainmail ontgrendelt slimme polymeren met vormverschuivingsmogelijkheden

Onderzoekers van de Westlake University hebben een tweedimensionale (2D) mechanisch verbonden polymeer (MIP) bekendgemaakt dat middeleeuwse kettingmail op moleculaire schaal nabootst. Dit 2D-materiaal op micrometerschaal vertoont uitzonderlijke flexibiliteit en stijfheid, waardoor mogelijk een revolutie teweegbrengt in de volgende generatie lichtgewicht beschermende uitrusting en slimme pantsersystemen.

Publiceren in het tijdschrift Natuursynthese,, de studie Onder leiding van het team van professor Zhichang Liu aan de Westlake University meldt de synthese van een puur organische kristallijne 2D-MIP met langeafstandsorde, waardoor de eeuwenoude afweging tussen flexibiliteit en stijfheid wordt opgelost. Het papier is getiteld “Synthese van een kristallijn tweedimensionaal [c2]Daisy Chain Honeycomb Network. “

Het polymeer bevat periodiek 3 miljard geregeld [c2]Daisy -ketens per vierkante centimeter – elk gedragen als in elkaar grijpende ringen – waardoor het kan buigen zonder te breken met behoud van een uitzonderlijke stijfheid. In een [c2]Daisy -keteneenheid, elke component bestaat uit een macrocycle en een as. Wanneer twee van dergelijke componenten interpeneteren, draden elke macrocycle door de as van de ander, waardoor twee verschillende mechanische bindingen ontstaan.

MIP’s worden geconfronteerd met een dilemma dat ofwel onder stress (rigide typen) barst, of onomkeerbaar vervormen (flexibele gels). Deze nieuwe moleculaire chainmail combineert beide eigenschappen en functioneert als een kogelvrije stof op microschaal.

Om deze paradox op te lossen, bedacht het team van Liu een synergetische strategie die kristallisatie-pre-organisatie en post-inrichting combineerde. Beginnend met flexibele tritopische monomeren, hebben ze ze vooraf georganiseerd in een geordend honingraatnetwerk op lange afstand en gebruikten ze vervolgens licht om mechanische vergrendeling te bereiken.

“Met name, in tegenstelling tot recente rapporten van 2D MIP’s gemaakt door rangelende lineaire polymeerketens, vormt ons materiaal een vlakke, verbonden structuur met behulp van symmetrische driearmige monomeren,” legde professor Zhichang Liu, de overeenkomstige auteur van de studie. “Dit ontwerp, dat lijkt op de in elkaar grijpende ringen van Chainmail Armor, bereikt mechanische stabiliteit zonder chemische bindingen.”

Serendipity voldoet aan de strategie

“We hebben gericht op een moleculaire kooi, maar eindigden met een honingraat”, zei hoofdrolspeler Liu. “We hebben monomeren ontworpen op basis van [c2]Daisy -keten omdat ze een hoge flexibiliteit en schaalbaarheid bieden – belangrijke eigenschappen voor kunstmatige moleculaire spieren. Deze motieven kunnen adaptieve binding bieden aan gastmoleculen in kooien, maar de verrassing was hun spontane assemblage in een oneindig 2D -netwerk in plaats van een eindige kooi. “

Liu is de inaugurele professor van het Department of Chemistry aan de Westlake University en een gelieerde lid van het International Institute for Sustainability with Knooped Chiral Meta Matter (SKCM) van de Hiroshima University. Zheng-Bin Tang, een Ph.D. Kandidaat in het laboratorium van Liu, is de eerste auteur van de studie.

Met behulp van synchrotron-stralingstechnieken heeft het team een ​​hiërarchisch zelfassemblageproces ontdekt van monomeren tot dimeren, hexameren en uiteindelijk honingraatnetwerken. Deze lagen zijn gestapeld in zeshoekige prisma’s. De foto-geïnitieerde thiol-een klikchemie heeft de pseudo-[c2]Daisy Chain in volledig verbonden eenheden via complementaire niet-covalente bindingsinteracties.

“De in situ moleculaire stiksel bewijst dat het polymeer bestaat uit wederzijds in elkaar grijpende monomeren,” legde Tang uit.

Het team van Liu ontdekte dat de bulkkristallen in ultradunne lagen konden worden gepeld – zoals het pellen van een crêpe cake in verschillende oplosmiddelen. Opvallend werd deze lagen 47 keer stijver dan het originele bulkmateriaal met behoud van structurele symmetrie. “Het tart conventie: dunner is hier niet zwakker. Zie het als moleculaire chainmail – rigid maar toch flexibel,” zei Tang.

Het team test nu de reactie van het materiaal op warmte-, druk- en pH -veranderingen. “Stel je pantser voor die hard wordt bij de impact,” mijmerde Liu. “We zijn jaren weg, maar het potentieel is opwindend.”