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南京大學李承輝副教授和左景林教授《Adv. Mater.》綜述:基于配位鍵的自修復高分子材料
2019-10-16  來源:高分子科技

  自修復能力是自然界中生物的一項重要生存本領,它使得生物能夠自發地修復受傷的部位。通過摻入修復試劑、引入可逆的共價鍵或非共價相互作用,研究者們已經合成出很多自修復材料。在非共價相互作用中,配位鍵已經被證明為是一種行之有效的構建高效自修復聚合物的方法。而且在金屬離子、配體以及動態配位鍵的存在下,自修復高分子還可以展現出其他的性質,如介電性、發光性、磁性、催化、刺激響應和形狀記憶效應等等。

  近日,南京大學配位化學國家重點實驗室李承輝副教授和左景林教授應邀撰寫了題為“Self-Healing Polymers Based on Coordination Bonds”的綜述論文,梳理總結了最近在以配位鍵構建自修復材料領域的研究進展。該論文最近在線發表在Advanced Materials上(Adv. Mater., 2019, 1903762)。

  該文首先討論了配位鍵在構建自修復材料方面的優勢:配位鍵的形成往往是焓減熵增的熱力學自發過程,有利于制備無需任何外界刺激就能修復的材料;配位鍵的鍵能容易調節,可以通過軟硬酸堿理論選擇合適的金屬離子與配體來獲得弱的動態配位鍵從而使材料獲得出色的修復性質;配合物可兼具熱力學穩定性和動力學活潑性,有助于設計合成高強度的自修復性質的材料,解決材料機械力學強度與自修復性質之間的矛盾問題;同時配位鍵的引入還可以給材料帶來介電性、發光性、磁性、催化性質以及形狀記憶效應等功能,有利于得到功能化的自修復材料。

圖1. 配位鍵構建自修復材料的優勢

  接著,該文概括了目前常用于構建自修復材料的幾類配體。目前研究最多、表征最完善的體系當屬受貽貝啟發而發現的金屬-鄰苯二酚(Catechol)以及金屬-組氨酸(histidine)配位鍵,利用這些配位鍵人們已經得到了大量力學強度高、自修復性質優良、粘附性好的高分子材料并應用于涂料、膠粘劑等領域。2011年Rowan報道了首例基于三聯吡啶配體的自修復材料,之后吡啶類配體就成為設計自修復材料的熱門選擇。考慮到三齒配體聯吡啶鍵能太高導致修復時需要外界刺激,人們使用雙齒和單齒以及混合配體來降低自修復所需要的溫度。另外,羧酸配體、席夫堿配體、膦配體、硫配體等也逐漸被人們廣泛使用。表1列舉了一些用于構建自修復高分子材料的常見配位體系。

表1  用于構建自修復高分子材料的常見配位體系

  最后,文中還討論了一些基于配位鍵的功能化自修復高分子材料。目前已報道的功能包括發光、介電、刺激響應、形狀記憶、軟驅動器和催化活性等,這些功能有些來源于金屬離子,有些來源于配體,另外一些則來源于配位鍵的環境敏感性質。

  研究材料的最終目的是為了實現它們在日程生活和生產中的應用。如何得到各種功能化的自修復材料,并且實現自修復功能與其它功能的耦合(即材料的受損與修復伴隨著功能的喪失與恢復),將是未來自修復材料的重要研究方向之一。同時,在目前基于配位鍵的自修復材料中,對研究機理和修復過程的研究還不多,難度也比較大,也是這個領域需要解決的關鍵問題。

  該篇文章的作者是南京大學配位化學國家重點實驗室的李承輝副教授左景林教授,論文得到國家自然科學基金(21631006, 21271099)和江蘇省自然科學基金(BK20170016)的資助。

  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201903762

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(責任編輯:xu)
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