不到2周！浙江大学黄飞鹤教授团队，再发Nature Materials！

“分子编织”实现多组分聚合物网络高效集成

聚合物材料，尤其是合成聚合物，以其无与伦比的多功能性和功能性深刻推动了人类文明的发展。然而，单一类型聚合物的固有局限性往往限制了其在新兴应用场景中的适用性。为了克服这些挑战，科研界亟需实现多种聚合物类型的高效集成，以结合不同材料的优势。目前常用的聚合物集成方法，如共混和共聚，由于相容性差和链分布控制不足等问题，难以实现真正的协同效应，因此迫切需要一种能在分子水平上无缝整合不同聚合物链的创新策略。

近日，浙江大学黄飞鹤教授、李光锋研究员提出了一种受编织启发的非对称纠缠节点策略，用于实现多组分聚合物网络中聚合物链的高效纠缠。该工作模仿宏观编织材料中经纬线交织的原理，在分子水平上成功将柔性聚氨酯链与刚性环氧树脂链集成在一起。网络中丰富的动态纠缠结构赋予材料优异的机械性能与粘附性能，使两种聚合物在外部应力下协同工作。该研究不仅展示了分子级编织在聚合物集成与性能调控中的潜力，也为多组分高分子材料的设计提供了新思路。相关论文以“Weaving-inspired asymmetric entangled nodes in multi-component polymer networks”为题，发表在Nature Materials。

值得一提的是，10月23日，浙江大学黄飞鹤教授、李光锋研究员、刘明研究员成功研制出一种三维多孔分子编织织物（PWPN-1），实现了在室温下对水同位素体H₂O和D₂O的动态分离。相关论文以“A porous molecularly woven fabric for dynamic separation of water isotopologues”为题，发表在Nature Synthesis上（）。

研究人员首先设计了由非对称纠缠节点交联的聚合物网络WPU-EP。如图1所示，其构建过程包括三个步骤：首先合成带有三齿配位位点的线性聚氨酯链，随后通过钯离子配位形成非对称纠缠节点，最后在节点处引入环氧树脂链，形成具有编织拓扑结构的集成网络。该结构类似于不同材质经纬线交织的织物，实现了柔性与刚性链在分子尺度上的协同整合。

图1：由编织启发的非对称纠缠节点交联的聚合物网络WPU-EP的设计与构建示意图 a) 具有相同（左）与不同（右）经纬线的编织网络示意图； b) WPU-EP网络的构建过程示意图，显示非对称纠缠节点如何介导柔性PU与刚性EP链的分子级集成。

在对WPU-EP、SPU-EP和CPU-EP三种网络的结构表征中，图2展示了关键实验结果。晶体结构分析证实了非对称配位节点的可行性；WPU-EP样品在DMF中浸泡24小时后仍保持稳定，未溶解。红外光谱显示所有样品中异氰酸酯和环氧基团完全反应，证实网络构建成功。热分析结果表明，WPU-EP中未出现明显的相分离现象，说明纠缠节点有效增强了两种聚合物的相容性。溶胀实验进一步表明，WPU-EP具有更高的网络稳定性。

图2：WPU-EP、SPU-EP与CPU-EP网络的结构表征 a) 基于三齿与单齿配体与钯（II）配位的模型纠缠节点晶体结构； b) WPU-EP哑铃样品及其在DMF中浸泡24小时后的状态； c) 三种样品的红外光谱； d) DSC曲线显示玻璃化转变与熔融行为； e) 在DMF中的溶胀比率； f) 不同交联模式下的网络结构变形机制示意图。

在力学性能方面，图3显示WPU-EP表现出卓越的综合性能：其断裂伸长率高达3105%，最大应力为63.3 MPa，韧性达989 MJ m⁻³，远超共价交联的CPU-EP和超分子交联的SPU-EP。应力松弛与动态力学分析表明，纠缠节点赋予材料动态响应能力，能在应力下有效耗散能量。大振幅振荡剪切实验进一步揭示，WPU-EP在变形过程中模量保持稳定甚至上升，说明拓扑纠缠增强了网络的结构回复能力与抗疲劳性。

图3：WPU-EP、CPU-EP与SPU-EP的力学性能对比 a) 应力-应变曲线； b) 力学性能综合对比； c) 归一化应力松弛曲线； d) 应力松弛时间的阿伦尼乌斯拟合； e,f) 动态力学温度扫描； g) 大振幅振荡剪切实验示意图； h) 模量随时间变化； i) 剪切后频率扫描显示恢复行为； j) 去金属化样品的应力-应变曲线； k) 去金属化样品模量随应变变化。

为了探究节点比例与环氧树脂含量对性能的影响，研究人员制备了系列WPU-EP样品。图4结果表明，节点比例为5%时材料性能最优；而随着EP含量增加，材料刚性增强但延展性下降。循环拉伸与阻尼测试显示，提高EP含量会增强能量耗散能力，但也加剧相分离趋势。值得一提的是，仅重46 mg的WPU-EP样品成功提起3 kg哑铃，其承载重量超过自身质量的65,200倍，凸显了该材料在轻质高强应用中的潜力。

图4：节点比例与EP含量对WPU-EP性能的影响 a,c) 不同节点比例与EP含量下的应力-应变曲线； b,d) 最大应力与断裂伸长率随节点比例与EP含量的变化； e,f) 不同EP含量样品的循环拉伸行为； g) 阻尼能力比较； h) 损耗因子温度谱； i) 不同EP含量样品的应力松弛阿伦尼乌斯图； j) WPU-EP样品提举哑铃实验照片。

在粘附性能评估中，图5显示基于WPU-EP的粘合剂在拉伸与剪切测试中均优于传统对照组。其剪切强度达15.1 MPa，显著高于对照样的6.82 MPa。在实际牵引测试中，该粘合剂成功拖动重达2.1吨的汽车，且在突发应力下未出现粘合层破坏，展现出优异的工程应用前景。

图5：WPU-EP粘合剂与对照粘合剂的粘附性能 a) 拉伸粘附测试示意图； b,c) 拉伸强度-位移曲线与数据； d) 搭接剪切测试示意图及网络变形机制； e) 车辆牵引实验照片； f,g) 剪切强度-位移曲线与数据； h) 与近年文献中粘合剂性能的对比。

综上所述，本研究通过编织启发的非对称纠缠节点实现了聚氨酯与环氧树脂在分子水平的高效集成，不仅显著提升了材料的力学与粘附性能，更将“分子编织”概念从单组分系统拓展至多组分系统，为开发具有定制化功能的高分子复合材料提供了全新范式。研究人员指出，该策略有望推广至更多聚合物组合，充分挖掘分子编织在设计高性能聚合物材料中的广阔潜力。