互锁分子的新型锁子甲材料坚韧灵活且易于制造

加州大学伯克利分校的化学家们用数百万个相同的互锁分子创造了一种新型材料，这种材料首次允许合成广泛的2D或3D结构，这些结构灵活，坚固和有弹性，就像保护中世纪骑士的锁子甲一样。

这种被称为无限连环烷的材料可以在单个化学步骤中合成。

法国化学家Jean-Pierre Sauvage分享了2016年诺贝尔化学奖，因为他合成了第一个连环烷 - 两个连接的环。这些结构是使分子结构能够移动的基础，通常被称为分子机器。

但连环烷的化学合成仍然很费力。将每个额外的环添加到连环烷中需要另一轮化学合成。自Sauvage创造双环连环烷以来的24年中，化学家们最多只实现了130个交织环，数量太小，如果没有电子显微镜就无法看到。

在加州大学伯克利分校化学教授Omar Yaghi的实验室生产的新型连环烷可以在三维空间中用无限数量的连接单元生产。由于各个单元机械互锁并且不通过化学键连接，因此结构可以弯曲而不会断裂。

“我们认为这具有非常重要的意义，不仅在制造不会断裂的坚韧材料方面，而且在制造机器人、航空航天和装甲服等材料方面，”詹姆斯和Neeltje Tretter化学讲座教授Yaghi说，他是Kavli能源纳米科学研究所和巴斯夫加州研究联盟的联合主任。，以及加州大学伯克利分校巴卡尔地球数字材料研究所的首席科学家。

Yaghi和他的同事，包括第一作者，加州大学伯克利分校博士后研究员Tianqiong Ma，在Nature Synthesis杂志上报告了化学过程的细节。

网状化学

使用Yaghi在30多年前发明的一种化学方法：网状化学，可以实现连环烷生产的飞跃。他将其描述为“通过强键将分子构建块缝合成晶体，扩展结构”。

使用这种技术，他制造了廉价的多孔材料 - 金属有机框架(MOFs)和共价有机框架(COF) - 证明可用于捕获，储存或分离二氧化碳，氢气和水蒸气等气体。迄今为止，已经制作了超过100，000个品种的MOF。

要制造MOF，只需要合成正确的杂化分子 - 连接到有机配体的金属簇 - 并将它们混合在溶液中，以便它们连接形成刚性和高度多孔的3D网络。根据温度选择框架内的化学基团来结合和释放特定分子并拒绝其他分子。

Yaghi创造的一种MOF甚至可以从最干燥的空气中抽取水，然后在加热时释放出来，从而可以在沙漠中捕获水。

为了制造连环烷，Yaghi和Ma合成了一种分子，该分子在两个相同的一半之间交叉，由铜原子共价连接。这种结构，他们称之为catena-COF，让人想起两个相连的回旋镖，它们交叉的地方有一个铜原子。当混合时，这些分子连接起来形成一个由互锁构建块组成的多孔3D网络。构建块是一种称为金刚烷的多面体分子，基本上锁定了它们的六个手臂以形成一个扩展的框架。

“这里的新情况是，建筑单元有这些交叉口，由于交叉口，你得到的联锁系统具有有趣，灵活和弹性的特性，”Yaghi说。“他们被编程为一步到位。这就是网状化学的力量。与其一次建造一个单元来构建更大的结构，不如对它们进行编程，使它们聚集在一起并自行生长。

具有交叉的分子可以进行化学改变，以便最终的连环烷与特定化合物相互作用。Yaghi称这些材料(∞)为连环烷，使用无穷大的符号。

“我认为这是制造可以弯曲并可能因刺激而变硬的材料的第一步，例如特定的运动，”他说。“因此，在某些方向上，它可能非常灵活，而在某些其他方向上，它可能会变得僵硬，只是因为结构的建造方式。

他指出，虽然这些连环烷在微观水平上向三个方向延伸，但它们可以做得足够薄，用于二维用途，如服装。最近，一些科学家报告说，他们已经通过3D打印创建了MOF和COF，因此有可能3D打印连环烷，就像编织布一样。

“传统上，这种联锁是通过一个多步骤，艰苦的过程来完成的，只制造具有一个或两个或三个互锁环或多面体的分子。但是要制造具有惊人性能的材料，如韧性和弹性，你需要制造数百万个这样的互锁，“他说。“传统的制作方法就是不切实际。网状化学与构建块方法一起出现，并找到了一种一步到位的方法。这才是这份报告的力量所在。

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