В лаборатории профессора Чжичана Лю (Zhichang Liu) в Университете Вестлейк создан уникальный двумерный материал, который по своей структуре напоминает средневековую кольчугу, но реализован на молекулярном уровне. Это 2D механически переплетённый полимер (2D MIP), обладающий одновременно высокой гибкостью и жёсткостью. Достижение опубликовано в журнале Nature Synthesis и открывает перспективы для создания сверхлёгких защитных покрытий и интеллектуальных бронекомпозитов.
Новый материал представляет собой полимерную сеть, где на каждом квадратном сантиметре расположено порядка трёх миллиардов ([3 × 10⁹]) регулярно повторяющихся звеньев типа [c2]daisy chain. Каждое звено состоит из макроцикла и оси: два макроцикла пронизывают друг друга, формируя две независимые механические связи. Такая архитектура позволяет материалу изгибаться, не разрушаясь, и при этом сохранять исключительную жёсткость — свойства, которые ранее не могли быть реализованы одновременно в традиционных полимерах.
Классические механически переплетённые полимеры обычно оказываются либо хрупкими и трескаются при нагрузках, либо слишком эластичными и теряют форму. Новый материал сочетает лучшие стороны обеих крайностей, работая как микроскопическая пуленепробиваемая ткань. По словам Чжичана Лю, «мы получили совершенно новый класс материалов, в которых гибкость и прочность не исключают друг друга».
Синтез этой молекулярной кольчуги стал возможен благодаря комбинированному подходу: сначала гибкие трифункциональные мономеры самособираются в дальнодействующую упорядоченную сеть с сотоподобной структурой, после чего происходит фотохимическое переплетение (photoinitiated thiol-ene click chemistry), закрепляющее механические связи между макроциклами. Итоговая структура плоская, собрана из симметричных трёхлучевых мономеров, не содержит запутанных линейных цепей и поддерживает стабильность без ковалентных связей.
Интересно, что изначально учёные стремились получить молекулярную «клетку», но мономеры неожиданно спонтанно самоорганизовались в бесконечную двумерную сеть. Именно мотивы [c2]daisy chain были выбраны благодаря их гибкости и масштабируемости, что делает новый материал многообещающим и для создания искусственных молекулярных мышц, и для систем, способных адаптивно связывать другие молекулы.
В исследовании принимали участие профессор Чжичан Лю, являющийся также аффилированным участником International Institute for Sustainability with Knotted Chiral М⃰ Matter (SKCM) при Университете Хиросимы, и аспирант его лаборатории Чжэн-Бин Тан (Zheng-Bin Tang), выступивший первым автором публикации.
С помощью методов синхротронного излучения удалось проследить поэтапную самоорганизацию: от мономеров к димерам, затем к шестиугольникам и далее — к сотоподобной сети, слоёно укладывающейся в шестиугольные призмы. Фотохимическая реакция превращала предварительно организованные псевдо-[c2]daisy chain в полностью переплетённые единицы посредством дополнительных нековалентных связей. Молекулярное «сшивание» монолитно объединяло слои, что подтверждалось наблюдениями in situ.
Экспериментально показано, что кристаллы этого полимера можно расслаивать на ультратонкие слои (аналогично тому, как снимают слой с блинчика), причём в различных растворителях. Самое удивительное — эти ультратонкие плёнки оказываются в 47 раз жёстче исходного объёмного материала, но сохраняют упорядоченность и симметрию структуры. Такой результат полностью опровергает устоявшееся мнение, что уменьшение толщины слоя приводит к его ослаблению: в данном случае тонкие плёнки остаются исключительно прочными и гибкими.
В настоящее время команда изучает, как материал реагирует на изменения температуры, давления и кислотности среды. Одна из ключевых целей — создать «умную» броню, способную становиться твёрже в момент удара. Несмотря на то, что практическое внедрение таких полимеров может занять годы, уже сегодня ясно: открытие открывает путь к новым адаптивным и сверхлёгким защитным материалам.
Изображение носит иллюстративный характер
Новый материал представляет собой полимерную сеть, где на каждом квадратном сантиметре расположено порядка трёх миллиардов ([3 × 10⁹]) регулярно повторяющихся звеньев типа [c2]daisy chain. Каждое звено состоит из макроцикла и оси: два макроцикла пронизывают друг друга, формируя две независимые механические связи. Такая архитектура позволяет материалу изгибаться, не разрушаясь, и при этом сохранять исключительную жёсткость — свойства, которые ранее не могли быть реализованы одновременно в традиционных полимерах.
Классические механически переплетённые полимеры обычно оказываются либо хрупкими и трескаются при нагрузках, либо слишком эластичными и теряют форму. Новый материал сочетает лучшие стороны обеих крайностей, работая как микроскопическая пуленепробиваемая ткань. По словам Чжичана Лю, «мы получили совершенно новый класс материалов, в которых гибкость и прочность не исключают друг друга».
Синтез этой молекулярной кольчуги стал возможен благодаря комбинированному подходу: сначала гибкие трифункциональные мономеры самособираются в дальнодействующую упорядоченную сеть с сотоподобной структурой, после чего происходит фотохимическое переплетение (photoinitiated thiol-ene click chemistry), закрепляющее механические связи между макроциклами. Итоговая структура плоская, собрана из симметричных трёхлучевых мономеров, не содержит запутанных линейных цепей и поддерживает стабильность без ковалентных связей.
Интересно, что изначально учёные стремились получить молекулярную «клетку», но мономеры неожиданно спонтанно самоорганизовались в бесконечную двумерную сеть. Именно мотивы [c2]daisy chain были выбраны благодаря их гибкости и масштабируемости, что делает новый материал многообещающим и для создания искусственных молекулярных мышц, и для систем, способных адаптивно связывать другие молекулы.
В исследовании принимали участие профессор Чжичан Лю, являющийся также аффилированным участником International Institute for Sustainability with Knotted Chiral М⃰ Matter (SKCM) при Университете Хиросимы, и аспирант его лаборатории Чжэн-Бин Тан (Zheng-Bin Tang), выступивший первым автором публикации.
С помощью методов синхротронного излучения удалось проследить поэтапную самоорганизацию: от мономеров к димерам, затем к шестиугольникам и далее — к сотоподобной сети, слоёно укладывающейся в шестиугольные призмы. Фотохимическая реакция превращала предварительно организованные псевдо-[c2]daisy chain в полностью переплетённые единицы посредством дополнительных нековалентных связей. Молекулярное «сшивание» монолитно объединяло слои, что подтверждалось наблюдениями in situ.
Экспериментально показано, что кристаллы этого полимера можно расслаивать на ультратонкие слои (аналогично тому, как снимают слой с блинчика), причём в различных растворителях. Самое удивительное — эти ультратонкие плёнки оказываются в 47 раз жёстче исходного объёмного материала, но сохраняют упорядоченность и симметрию структуры. Такой результат полностью опровергает устоявшееся мнение, что уменьшение толщины слоя приводит к его ослаблению: в данном случае тонкие плёнки остаются исключительно прочными и гибкими.
В настоящее время команда изучает, как материал реагирует на изменения температуры, давления и кислотности среды. Одна из ключевых целей — создать «умную» броню, способную становиться твёрже в момент удара. Несмотря на то, что практическое внедрение таких полимеров может занять годы, уже сегодня ясно: открытие открывает путь к новым адаптивным и сверхлёгким защитным материалам.