化学和机械力驱动的分子机器聚合物

The functionalization and materialization of molecular machines, which involves the efforts to make molecular machines perform function in gel materials or quasi solid state instead of working in solutions, has always been a great challenge and are of great significance in the field of supramolecular organic chemistry and materials science. At present, most of the molecular machine systems can hardly reflect their molecule-level stimuli-responsive mechanical movements in the macro materials. In this project, we intends to design and prepare a series of molecular machine units, such as bistable functional [c2]daisy chain structures, [2]rotaxanes and over-crowded molecular rotors. These molecular machine units are employed as the main skeleton and repeating units to achieve the supramolecular polymerization and to form gel materials through the metal-ligand coordination bond, multiple hydrogen bonding or dynamic covalent bond, where a kind of nanoparticle is used for the cross-linked unit in the process of supramolecular polymerization. We will also study the function integration and amplification of molecular machine units in response to external chemical or mechanical force stimuli in the gel materials will be studied. The macroscopic behavior of this supramolecular polymer gel materials, such as their self-healing and shape memory functions will also be studied.

如何将分子机器由溶液态调控转为凝胶态或者准固态调控从而实现功能化和材料化是一个非常具有挑战和重大意义的课题。目前大多数分子机器体系难以在宏观材料中将自身的分子水平的刺激响应性机械运动体现出来。本课题拟设计一系列双稳态、功能化的[c2]雏菊链、[2]轮烷、分子转子等分子机器单元，然后通过金属-配体配位键、多重氢键或者动态共价键的连接方式实现分子机器单元的聚合，再通过改性纳米粒子的交联的方式形成聚合物凝胶材料，从而研究分子机器单元的功能集成及其放大，实现分子机器化学刺激或者外界机械力刺激下的宏观行为的变化，例如材料尺寸变化以及实现聚合物材料的自修复、形状记忆等功能。

在该项目支持下，研究团队聚焦材料设计中分子基元的精准可控合成和组装，探索了传统溶液相的动态分子机器基元在表界面中的动态功能放大机制，开拓出一系列表界面功能分子机器智能材料，动态分子机器体系在表界面相有效工作的proof-of-concept为今后拓展可能的应用奠定了坚实的科学基础。将动态穿梭功能的轮烷分子梭引入到磷脂双分子层的界面空间中，构建了轮烷型人工离子跨膜运输通道；通过人工分子肌肉在纳米粒子表面的集成组装，实现了纳米尺度下粒子间距的精准可逆调控，构建了智能响应的分子致动器；利用动态分子配体对表界面性质的动态调控，将分子的调控性传递到材料的表观催化性能，构建了一系列人工可开关催化材料。利用正交自组装策略大幅简化复杂结构聚合物材料的制备步骤，开发出一系列结构新颖、功能集成、性能优越的动态超分子聚合物材料。将机械互锁分子基元引入氢键高分子网络，揭示了其在拉伸过程中的“分子拉链”效应，使微量分子基元的机械适应性能够放大到整个聚合物体相，大幅度提升其机械性能；开创性地利用天然小分子硫辛酸的本征动态性，通过超分子非共价键和动态共价键的正交无溶剂自组装，实现了一系列集成功能多样性的聚硫辛酸材料的简单、高效合成，并实现了动态聚合物材料在机械性能、自修复性能、粘附性能、回收性能等重要材料性能的高度集成和指标突破。