高分子聚合物high-molecular-weight polymers源起于一百年前，从其真正本质得以实现，直至最近利用分子编织molecular weaving来构造材料的设计方法，高分子聚合物始终如一，为人类社会贡献更多的新颖奇异。
Weaving tangled webs
编织缠结的网
聚合物Polymers，存在于整个社会的各种应用中，例如包装、电子和医疗应用。根据化学合成时可以控制的分子结构，实现不同材料性能，如在聚苯乙烯、聚酯、聚氯乙烯或聚酰胺等材料。今年是聚合物发现100周年，当时通过形成共价键将单体连接在一起而形成的，因此，为聚合物普遍应用铺平了道路。回顾过去，19世纪最初的观点认为，聚合物是化学成分相同但性质不同的化合物，如苯（C6H6）和苯乙烯（C8H8）。直到1922年，赫尔曼·施陶丁格（Hermann Staudinger）才通过氢化天然橡胶，首次提供了共价结合的长聚合物链的实验证据。同时，氢化可以在不形成挥发性低分子量环烃的情况下进行，这意味着高分子量聚合物缠结形成橡胶。幸运的是 Staudinger没有理会对这种“油脂化学grease chemistry”的建议，而是专注于高分子化学的研究，这在1953年得到了诺贝尔化学委员会的认可，并带来了其他突破，继续影响着现代生活。事实上，聚合物的应用研究仍在进行中。半导体聚合物Semiconducting polymers，可用于形成重量轻且易于调谐的柔性电子器件3。聚合物，因其增强的电化学稳定性和弹性，可以作为固体电解质，使锂离子在电池系统中从阴极传输到阳极。与循环过程中形成的产物相比，可以稳定在更高容量和电压下工作的正极材料4。并且通过适当选择单体结构，可以调节聚合物链堆积以调节链间空间，从而允许气体选择性分离，并且使膜能够用于工业相关的气体分离，例如CO2/N2[5]。对于所有这些例子，化学结构控制是关键。在这里，有可能将聚合物组装的最新进展，与人类工具箱中一些最古老的技术联系起来。编织股线，以产生长程有序。在本期《自然材料》（Nature Materials）杂志上发表的一篇观点文章中，David Leigh、张亮Liang Zhang及其同事概述了分子尺度编织的历史、机制、策略和挑战。分子编织概念，是将一维分子规则地缠绕成扩展的2D或3D网络，这些网络可能呈现不同的性质。正如作者所指出的，强大分子编织只能由共价连接和缠结的分子链形成，这种最初想法可能是不合适的。非共价键可能强到足以限制链，而可逆共价键可能导致动态不稳定而不是受位置限定的结构。从分子结中获得的见解，可能对学习如何编织分子链很有价值。同时考虑了机械限制系统的各种模型，例如管、滑动连杆或滑动弹簧模型。这些模型，以及拓扑学的见解，反过来可以帮助理解编织，是如何改变聚合物的性质。作者还调查了，可用于形成分子编织有机聚合物的不同策略。他们注意到，共价有机框架可以在三维空间中编织，所得到的编织，在进一步处理后显示出增强弹性。金属-有机框架MOF,可以作为形成二维氢键框架的模板，而超分子Kagome网格也可以编织。在这两种情况下，织物都是通过动态非共价键结合的，尽管据推测，使共价键结合的修饰，可用于动态锁链缠结。编织也可以通过预先编织的缠结镶嵌来生成；在离子模板去除之后，编织强度，几乎是单个分子链的两倍。概述了关键挑战，包括是否有可能使用相同的分子链形成不同的编织图案？编织模式和股间相互作用如何影响性能？如何通过控制尺寸、形状或化学功能，从而开发织物的网眼，以获得额外功能？作者还质疑是否有可能编织预成型的商业聚合物，如聚苯乙烯，他们设想这可能需要人工分子伴侣。聚合物的可加工性和可调性，使其能够对许多商业应用进行性能控制。随着在实验和计算上对其结构的了解和控制的增加，其性能的更好控制以及新的应用肯定会实现。
1. Staudinger, H. Helv. Chem. Acta 5, 785–806 (1922).2. Mülhaupt, R. Angew. Chem. Int. Ed. 43, 1054–1063 (2004).3. Guo, X. & Fachetti, A. Nat. Mater. 19, 922–928 (2020).4. Huang, Q. et al. Nat. Mater. 18, 1343–1349 (2019).5. Rose, I. et al. Nat. Mater. 16, 932–937 (2017).6. Keer, L. D. et al. Nat. Mater. 20, 1422–1430 (2021).文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01219-zhttps://doi.org/10.1038/s41563-022-01219-zhttps://www.nature.com/articles/s41563-022-01219-z.pdf本文译自Nature，请点击阅读原文，可下载全文。