“纳米链甲”问世：革命性的轻量化、坚固防护材料

西北大学（Northwestern University）的研究人员在材料科学方面取得了突破性的进展，他们创造了一种二维的、机械互锁的聚合物，这种聚合物反映了链甲的坚固、灵活的特性。

这种新型材料拥有有史以来最高的机械键密度，有望在轻型防弹衣和其他高需求领域实现革命性的应用。

二维互锁材料

西北大学领导的一个研究小组创造了第一个二维（2D）机械互锁材料，取得了一项非凡的化学成就。

这种纳米级的创新，类似于链甲的连锁链接，具有非凡的灵活性和强度。随着进一步的改进，它在轻质，高性能防弹衣和其他要求材料既坚韧又灵活的苛刻用途中显示出巨大的应用潜力。

这项研究发表在1月16日的《科学》杂志上，在该领域开创了几个关键的先河。这不仅是有史以来第一种二维机械互锁聚合物，而且是一种密度前所未有的材料，每平方厘米有100万亿个机械键，是有史为止最高的。研究小组使用一种新颖、高效和可扩展的聚合工艺实现了这一目标，为大规模生产铺平了道路。

“我们制造了一种全新的聚合物结构，”该研究的通讯作者、西北大学的威廉·迪赫特尔（William Dichtel）说。“它类似于锁子甲，因为每个机械键都有一点自由滑动，所以它不容易撕裂。如果你拉它，它可以在多个方向上分散施加的力。如果你想把它拆开，你必须在很多很多不同的地方打破它。我们正在继续探索它的特性，可能会研究它很多年。”

迪赫特尔是温伯格艺术与科学学院的Robert L. Letsinger化学教授，也是国际纳米技术研究所（IIN）和Paula M. Trienens可持续发展与能源研究所的成员。麦迪逊·巴多是迪赫特尔实验室的博士候选人，也是IIN瑞安研究员，是这项研究的第一作者。

聚合的挑战与创新

多年来，研究人员一直试图开发与聚合物机械连锁的分子，但发现几乎不可能诱导聚合物形成机械键。

为了克服这一挑战，迪赫特尔的团队采用了一种全新的方法。他们从X形单体开始，将它们排列成一种特定的、高度有序的晶体结构。然后，他们将这些晶体与另一个分子反应，在晶体内的分子之间形成键。

迪赫特尔说：“我非常感谢麦迪逊，因为她提出了形成机械互锁聚合物的概念。”“这是一个高风险、高回报的想法，我们不得不质疑我们关于分子晶体中可能发生哪种反应的假设。”

所得到的晶体包括一层又一层的二维互锁聚合物片。在聚合物片内，X形单体的末端与其他X形单体的末端结合。然后，更多的单体穿过中间的缝隙。尽管这种聚合物结构坚硬，但它却具有惊人的柔韧性。迪赫特尔的研究小组还发现，将聚合物溶解在溶液中会导致连锁单体层相互剥离。

迪赫特尔说：“聚合物形成后，并没有很多东西将结构固定在一起。”“所以，当我们把它放在溶剂中时，晶体溶解了，但每个二维层都保持在一起。我们可以操纵这些单独的薄片。”

探索纳米尺度和工业可扩展性

为了在纳米尺度上检查这种结构，康奈尔大学的合作者在大卫·穆勒教授的带领下，使用了尖端的电子显微镜技术。图像显示了聚合物的高结晶度，证实了其互锁结构，并表明其具有高柔韧性。

迪赫特尔的团队还发现这种新材料可以大量生产。以前含有机械键的聚合物通常是用不太可能扩展的方法以非常小的数量制备的。另一方面，迪赫特尔的团队制造了半公斤的新材料，并假设随着最有前途的应用出现，可能会有更大的数量。

增强复合材料

受这种材料固有强度的启发，迪赫特尔在杜克大学的合作者在马修·贝克尔教授的带领下，将其添加到Ultem中。与凯夫拉同属一个家族，Ultem是一种非常坚固的材料，可以承受极端温度以及酸性和腐蚀性化学物质。研究人员开发了一种含有97.5% Ultem纤维和2.5% 2D聚合物的复合材料。这个小百分比极大地提高了Ultem的整体强度和韧性。

迪赫特尔设想，他的团队的新聚合物未来可能会成为轻型防弹衣和弹道织物的特殊材料。

“我们还有很多分析要做，但我们可以告诉你，它提高了这些复合材料的强度，”迪赫特尔说。“我们所测量的几乎每一处都在某种程度上是特殊的。”

纪念化学遗产

作者们把这篇论文献给了前西北大学化学家弗雷泽·斯托达特爵士，他在20世纪80年代提出了机械键的概念。最终，他将这些键精心设计成分子机器，可以以可控的方式切换、旋转、收缩和膨胀。上个月去世的斯托达特因这项工作获得了2016年诺贝尔化学奖。

“分子不只是自己穿过彼此，所以弗雷泽发明了巧妙的方法来模板联锁结构，”迪赫特尔说，他是加州大学洛杉矶分校斯托达特实验室的博士后研究员。“但即使是这些方法也不够实用，无法用于聚合物等大分子。在我们目前的研究中，这些分子被牢牢地固定在晶体中，在每个分子周围形成一个机械键。

“因此，这些机械纽带在西北大学有着深厚的传统，我们很高兴能以前所未有的方式探索它们的可能性。”

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