近日，上海交通大學顏徐州教授團隊在化學綜合性期刊Journal of the American Chemical Society上發(fā)表了題為“具有稠密輪烷骨架結(jié)構(gòu)的機械互鎖聚合物氣凝膠(Mechanically Interlocked Aerogels with Densely Rotaxanated Backbones)”的研究論文。該論文基于準輪烷分子構(gòu)建了具有機械互鎖交聯(lián)網(wǎng)絡的氣凝膠材料，所制備的氣凝膠材料具有優(yōu)異的響應性和自適應性，為設計智能型氣凝膠材料提供了新的思路，并推動了機械互鎖分子在材料領(lǐng)域中的發(fā)展。
機械互鎖分子（MIM）是由兩個或多個在空間中通過機械鍵糾纏的分子元素組成。其中，機械鍵在不破壞相關(guān)共價鍵的情況下無法分離，從而確保了MIM具有高度的構(gòu)象自由度（如伸長、旋轉(zhuǎn)、滑動和扭曲等），同時保持了結(jié)構(gòu)完整性，因而在開發(fā)人工分子機器中發(fā)揮關(guān)鍵作用。氣凝膠是由溶膠-凝膠工藝的制備得到的多孔塊體材料，憑借低密度、高孔體積、高表面積和整體特性，在許多重要領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，但缺乏動態(tài)性和自適應性。將機械鍵整合到氣凝膠中不僅會產(chǎn)生具有新穎化學結(jié)構(gòu)和新興特性的氣凝膠，而且為進一步開發(fā)機械互鎖材料創(chuàng)造機會。然而，探索利用MIM來構(gòu)建具有更高復雜度和更豐富功能的氣凝膠材料卻極具挑戰(zhàn)。
近兩年，上海交通大學顏徐州團隊基于動態(tài)化學制備出一種基于亞胺鍵交聯(lián)的新型氣凝膠材料，即動態(tài)共價聚合物氣凝膠（Dynamic Covalent Polymer Aerogels, DCPAs）（Natl. Sci. Rev. 2022, 9, nwac012）。
該氣凝膠除傳統(tǒng)的性能和功能外，由于分子層次上動態(tài)鍵的引入，可實現(xiàn)“回爐重造”的閉環(huán)全回收過程。為了推動氣凝膠的進一步智能化發(fā)展，近期他們以分子內(nèi)可運動的輪烷分子作為氣凝膠的模塊基元，經(jīng)過聚合后，成功制備了由機械互鎖聚合物網(wǎng)絡搭建而成的新型氣凝膠材料，即機械互鎖氣凝膠（Mechanically Interlocked Aerogel, MIA）。
這一類新型凝膠骨架中含有稠密的機械鍵，在受到外界刺激時，可發(fā)生分子內(nèi)滑動和網(wǎng)絡形變，從而使MIA表現(xiàn)出響應性和自適應性。
基于特有的連續(xù)的三維納米及亞微米多孔結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的機械性能和特殊的化學結(jié)構(gòu)，所得機械互鎖氣凝膠表現(xiàn)出多功能性，如碘吸附、隔熱、選擇性移除染料等。該研究為在分子水平上設計智能氣凝膠并推進機械互鎖分子的實用化進程提供了新的視角。
