一、浙江織純【科學背景】

編織是大學人類最古老的傳統技藝之一，自石器時代起，有機這一技藝在日常生活和生產中得到了廣泛應用和推崇。聚合晶材數千年來的物網實踐證明，在宏觀和微觀層面上，絡單料牛編織是浙江織純一種經久不衰的強大工具，可以用相對簡單的大學1D股線編織出功能性的2D和3D織物。分子編織的有機方式讓科學家聯想到宏觀織物的制作，它展示了自下而上調節材料特性的聚合晶材可能性，這是物網拓撲結構從分子線開始的結果。編織技術的絡單料牛納米級應用被認為是構建多功能新材料的有前途的策略。將純有機分子線編織成完美無瑕的浙江織純二維圖案仍然是一個艱巨的挑戰，純有機、大學獨立二維編織聚合物網絡（2D WPNs）的有機單晶尚未得到全面研究。因此，在討論二維編織材料的形成機理和結構—性能關系時，很難獲得精確的結構信息，如聚合物網絡中原子的鍵長、鍵角和空間位置。此外，從層狀材料中剝離出來的獨立二維單層編織片也非常稀少，這對有效探索其多樣化的表面和結構特征構成了障礙。

二、【創新成果】

基于以上難題，浙江大學黃飛鶴教授、李光鋒研究員、美國西北大學J. Fraser Stoddart教授和浙江工業大學朱藝涵教授等人合作，在Nature Chemistry發表了題為“Single crystals of purely organic free-standing two-dimensional woven polymer networks”的論文，介紹了一種由雙向 B-N 鍵驅動的無缺陷、純有機、獨立的二維編織聚合物網絡的合成。研究人員獲得了這種編織聚合物網絡的單晶，通過 XRD分析揭示了其清晰的編織拓撲結構，并通過機械剝離得到了厚度為1.3 nm的單層分子編織聚合物納米片。隨后通過綜合低劑量和低溫電子顯微鏡成像技術研究了納米片的表面特征。這些研究結果表明了純有機編織聚合物網絡的精確構造，并強調了在二維有機材料中應用編織拓撲結構的獨特機遇。

研究人員使用兩個簡單的配體1,4-苯二硼酸鄰二苯酚酯與1,2-二(4-吡啶基)乙烯在溫和條件下合成了大尺寸的片狀分子編織聚合物單晶2DWPN-1，并通過XRD對其結構進行分析。光學顯微圖像顯示，2DWPN-1的厘米級黃色單晶具有裂隙結構。

圖1 ?二維分子編織聚合物的制備及其結構表征? 2024 Springer Nature

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通過對照實驗，研究人員證實了溶劑分子在編織拓撲形成的過程中起到至關重要的作用。

圖2 ?溶劑對編織拓撲形成的影響? 2024 Springer Nature

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受石墨烯剝離制備的啟發，研究人員嘗試了采用機械剝離的方法對大塊的晶體進行剝離，最終成功得到了不同層數的薄層分子編織聚合物納米片，單層厚度僅為1.3 nm。

圖3 ?分子編織聚合物的剝離及其薄層結構表征? 2024 Springer Nature

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圖4 ?二維分子編織聚合物的高倍透射電鏡圖像? 2024 Springer Nature

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圖5 ?二維分子編織聚合物的機械性能? 2024 Springer Nature

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三、【科學啟迪】

研究人員設計并構建了一類基于配位B-N鍵驅動的純有機二維編織聚合物網絡。通過X射線單晶分析和對比實驗驗證了溶劑分子在編織拓撲結構形成過程中的關鍵作用。此外，利用微機械剝離法成功地制備出了厚度為1.3 nm的二維分子編織聚合物納米片，獲得了全新的二維聚合物材料。隨后，通過低劑量冷凍電鏡在分子水平上直接、清晰和準確地展示了分子編織聚合物結構特征。此外，編織拓撲結構提供了一種獨特而有效的應力分散途徑，并提高了剛性晶體的柔韌性。這項研究不僅提出了一種將純有機編織聚合物網絡作為結構奇觀的有效方法，而且還揭示了它們的形成機制，以及編織聚合物網絡的二維特征和機械性能，為由純有機獨立式2D WPNs構建的功能材料打開了大門。

原文詳情：Single crystals of purely organic free-standing two-dimensional woven polymer networks (Nat. Chem.2024, DOI: 10.1038/s41557-024-01580-3)

本文由賽恩斯供稿。