Nature Communications：基于大环肉桂酸二聚体的多模式力敏团
力化学的高速发展为科学家从分子尺度研究并调控聚合物材料对外力的响应提供了契机。得益于一类对力敏感的小分子基团（力敏团，mechanophore），材料学家可将传统上对材料具有破坏作用的机械力转化有用的输出，并赋予材料各式各样的力响应特性，包括损伤探测、自修复、自增强/增韧、释放特定小分子或质子、催化化学反应等等。设计和制备性能优越的力敏团以适应材料所处的复杂力学环境一直是高分子力化学的巨大挑战之一。
近日，来自厦门大学化学系翁文桂课题组、吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室张文科教授课题组、利物浦大学化学系Roman Boulatov教授课题组携手合作，在Nature Communications上（doi:10.1038/s41467-017-01412-8）报道了一类具有栓系链结构的环状肉桂酸二聚体的多模式力敏团。
量子化学计算表明肉桂酸二聚体中环丁烷单元开环所需外力与二聚体的立体构型（syn或者anti）、外力的作用位置（酚羟基处或甲氧基处）、冠醚链的连接位置和长短等因素有关，在1-2 nN左右可调。高分子主链的受力随机断裂反应所需的外力约> 5 nN，因此肉桂酸二聚体完全可以在主链断裂之前的受力活化。栓系链的存在又使得力敏团的活化开环不至于直接导致聚合物产生断链而降解。
单分子力谱实验表明，顺式肉桂酸二聚体（syn-2a）和反式肉桂酸二聚体（anti-2a）分别在1 nN和2nN时发生活化，释放2.5nm/每单元的冠醚链（如图），与量化计算结果完美符合。次序性的可控力活化过程具有类似肌联蛋白等生物大分子的解折叠过程和增韧机理。整个活化过程中聚合物骨架链长度增加2倍以上，耗散应变能多达600 kcal/mol，差不多比通常的高分子链强度提高15倍。此力敏团因此具备用于制备超高强度聚合物材料的潜力。
共聚物的溶液超声实验表明，肉桂酸二聚体能在宏观形变中解离，同时伴随体系紫外吸收的改变有望应用于损伤探测。此外，生成的肉桂酸单体具有光化学反应活性，能够进行重新二聚和其他反应，可用于材料损伤后的修复、增强等，能够有效提升材料的安全性和使用寿命。同时，该系统还具有巨大的可拓展性，预计将可引领一系列研究工作的开展。
论文链接：
http://www.nature.com/articles/s41467-017-01412-8
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来源：厦门大学化学系翁文桂课题组
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