南方科大蔣偉團隊利用瞬態水凝膠實現分子耗散自組裝

　　在國家自然科學基金項目（批準號：21772083, 21822104）的資助下，南方科技大學蔣偉教授團隊在超分子耗散自組裝材料領域取得了重要進展。相關研究成果以“Shear-induced Assembly of A Transient yet Highly Stretchable Hydrogel based on Pseudopolyrotaxanes”（多聚準輪烷基高拉伸性瞬態水凝膠的剪切誘導組裝）為題，于2019年4月1日在線發表在《Nature Chemistry》雜志上。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41557-019-0235-8。

　　耗散自組裝（dissipative self-assembly）通過消耗“燃料”（fuel）來維持非平衡態結構，是實現復雜生命功能的基礎。耗散自組裝可賦予材料自修復和自適應等智能仿生特性，具有廣闊的應用前景。然而，現有的人工耗散自組裝體系通常以化學反應作為燃料，機械性能通常較差。最近，蔣偉課題組構建了一類全新的超分子耗散自組裝體系，制備了一種具有優異機械拉伸性能的瞬態水凝膠材料。

　　在前期研究中，作者設計并合成了一類具有仿生結構特色的大環主體分子——內修飾分子管，并發現這類大環主體能夠在水中鍵合極性分子。在本研究中，該類大環主體分子與聚乙二醇鍵合形成一個像項鏈一樣的多聚準輪烷結構。分子管上的羧酸根又能與Cu2+形成配位，將多聚準輪烷交聯起來，形成水凝膠。然而，這個水凝膠不穩定，會逐漸轉化為溶膠。搖動產生的剪切力可以將溶膠再次轉化為凝膠。靜置后，凝膠又會轉化成溶膠。該過程可以循環多次。這是一個由剪切力驅動的超分子耗散自組裝體系。凝膠處于動力學非平衡態，而溶膠則處于熱力學平衡態。機理研究表明，剪切力誘導Cu2+從鏈內配位轉化為鏈間配位（見圖），從而形成水凝膠；靜置時，配位方式則由鏈間緩慢轉化為鏈內，從而變成溶膠。該瞬態水凝膠表現出優異的拉伸性，可拉伸至其初始長度的30倍。

　　這項研究開發了兼具剪切增稠特性與高拉伸性的水凝膠材料，展示了耗散自組裝在材料科學領域的應用潛力，為制備機械響應型功能材料提供了新的思路。

圖. 剪切力誘導的溶膠/凝膠轉化及其分子機制