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黄建滨、阎云课题组在超分子薄膜构筑方法上取得重要进展

    

 

    结块过程经常在固体颗粒上发生,是人们日常生活中极为常见的一种现象,它是由分散的粉末颗粒间桥连形成连续的团块固体所引起的。而工业上,由于结块现象极易导致固体产品质量的降低乃至功能性的丧失,这一过程在食品、药制品等工业的生产与储存运输中都是需要去尽量避免的。因此,千百年来,人们一直竭力于寻找消除结块过程的方法,但却鲜有能够利用结块过程的报道。而与此同时,人们在构筑宏观块体薄膜材料上也倾注了大量的精力。为了得到塑性薄膜,人们通常会对高聚物溶液挥干溶剂或对高分子的熔体进行热塑成型,从而造成大量的能量消耗。因此,亟待发掘简单、节能、高效的新型薄膜材料构筑方法。

近期,黄建滨、阎云课题组则将结块过程与构筑塑性薄膜相结合,正向地将结块的原理应用于由粉末材料向连续的液晶相超分子薄膜的构筑上,提出了一种全新且十分简便的构筑薄膜材料的方法。首先,一种大头基的表面活性剂(DEAB)可以与反电荷的多头配体(TPE-BPA)得到一种纳米尺寸的无规配位簇,而后金属离子(Zn2+)的加入则可迅速使之交联形成无定形的白色沉淀物。通过自发的结块过程,沉淀中的分子可进一步发生重排运动,并使其由白色粉末状的固体在短时间内转变形成透明且可自支撑的薄膜材料。

1 通过结块过程自发成膜


 

这种超分子薄膜材料的力学性质与塑性高分子相近,抗张强度为(0.65 ± 0.16) MPa,但却具备在室温及适宜的湿度环境下通过手指尖的压力完成修复与铸造的能力。力学测试表明这种可塑超分子薄膜在数十次的重铸后也不会出现疲劳和强度降低,预示着其优越的材料工程性能。

2 指压成膜与多种加工图案


 

基于这种“自下而上”的方法,许多的功能组分都可以被引入膜中,使其成为一个通向多功能材料发展的平台,例如掺入染料分子可以实现多色发光器件的构筑、掺入指示剂分子可以制成污染性气体传感薄膜等。此外,研究者还验证了这种策略可拓展至其它的化学设计中,如不同的多头配体、不同的表面活性剂分子、不同的金属离子甚至不同的非共价作用方式,从而得到基于不同化学组成所构筑的超分子薄膜。研究者期待这种策略能够为新型超分子块体薄膜材料的发现与创造,提供一种全新的制备方法与研究视角。

3 构筑策略总体图示


 

该研究成果以“Caking-Inspired Cold Sintering of Plastic Supramolecular Films as Multifunctional Platforms”为题,以 Front piece paper的形式发表于2018712日的《先进功能材料》Advanced Functional Materials上(2018,1803370DOI: 10.1002/adfm.201803370),并被Nature新闻选为研究热点在724日作简讯报道。北京大学化学与分子工程学院阎云副教授为该文通讯作者,研究生谢蒙琪为该文第一作者,香港科技大学唐本忠院士指导了配体分子的合成。该工作得到了国家自然科学基金委等项目的支持。

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