基于碳基力色团的高分子力化学研究

Based on our previous studies on polymer mechanochemistry, self-healing and carbon materials, we are planning to use suitable chemistry of carbon materials (Fullerene, single layer carbon nanotube and graphene) to generate mechanically sensitive moiety on carbon materials and synthesize carbon based mechanophore. We will then attach polymer chain to the mechanically sensitive moiety and make novel mechano-sensitive carbon/polymer composite/hybrid materials. The mechanochemistry of the composite/hybrid materials, in particular the selectivity of mechanical activation on the surface/interface of carbon, will be investigated and used to demonstrate the failure mechanism at the molecular level. In addition, interesting and important properties, e.g., superior mechanical properties, damage sensing, force mapping, self-healing, moldable, shape memory will be studied. To the best of our knowledge, this is the first example showing the use of mechanically sensitive moiety derived from modification of carbon materials for polymer mechanochemistry studies. It is anticipated that this project will open new avenues to mechanochemistry and expand the properties and applications of carbon materials and their composite/hybrid polymer materials.

基于申请人在高分子力化学、自修复以及碳材料等方面的研究基础，本项目拟利用碳基材料（富勒烯、单壁碳纳米管、石墨烯）的合适化学反应，直接在碳基材料上生成力敏感单元，设计合成碳基力色团；并以此力敏感单元连接碳基材料与高分子，制备新型力响应性的碳基（复合/杂化）高分子材料，研究其力化学，特别是碳基表面/界面的力化学响应选择性，在分子水平诠释材料的破坏机理；充分开发力敏感单元及其力响应性带来的超级力学性能、破坏示警、应力测绘、自修复、可塑形、形状记忆等重要性能。根据申请人的了解，本申请系首次以碳基材料改性生成的力敏感单元进行高分子力化学研究，有望为力化学研究开辟崭新的方向，并拓展碳基材料及其（复合/杂化）高分子材料的性能和应用，理论和应用意义重大。

设计能够应对机械力作用的高分子是当代高分子化学研究的重要方向。碳基材料表面力学破坏对复合/杂化材料的应用至关重要。本基金项目原计划开发碳基力敏团并研究其高分子力化学。我们成功合成了基于C60-蒽、C60-呋喃的力敏团化合物。在拓展基于其他碳材料的碳基力敏团方面，我们也开发了基于单壁碳纳米管与呋喃反应体的力敏团，合成力致响应的碳纳米管杂化交联的聚合物，相关工作进展顺利，但相关成果尚未发表论文。在项目研究过程中我们也重点开展了可视为碳基力敏团的蒽二聚体力敏团及其高分子力化学的研究，获得了力致变色（荧光）及可光致重塑的多网络弹性体，相关结果对多网络的应力感应、力学性能提升、自修复具有十分重要的意义。此外，我们还研究了与碳基力敏团相关联的基于[2+2]环化加成及其逆环化反应机理的力敏团（肉桂酸二聚体）及其高分子力化学，研究发现力致活化可以获得仿生超韧性并产生可以进一步反应而修复聚合物材料的肉桂酸单体，为多模式力响应聚合物的发展开拓了重要方向。相关工作发表于Chemical Science、Nature Communications和Polymer Chemistry等。