<p>加州大學(xué)伯克利分校(University of California, Berkeley)的化學(xué)家們用數(shù)百萬個相同的、互鎖的分子創(chuàng)造了一種新型材料，首次允許合成廣泛的2D或3D結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)靈活、堅固、有彈性，就像保護中世紀騎士的鎖子甲一樣。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這種材料被稱為無限連環(huán)烷，可以在一個化學(xué)步驟中合成。</p> <p>&nbsp;</p> <p>法國化學(xué)家讓-皮埃爾&middot;索維奇(Jean-Pierre Sauvage)因合成了第一個連環(huán)烷(兩個相連的環(huán))而分享了2016年諾貝爾化學(xué)獎。這些結(jié)構(gòu)是使分子結(jié)構(gòu)能夠移動的基礎(chǔ)，通常被稱為分子機器。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但是catenanes的化學(xué)合成仍然很困難。每增加一個環(huán)到鏈烷上都需要另一輪化學(xué)合成。在索維奇發(fā)明雙環(huán)連環(huán)烷的24年里，化學(xué)家們最多只實現(xiàn)了130個相互交織的環(huán)，數(shù)量太小，沒有電子顯微鏡是看不見的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這種新型連環(huán)烷由加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)教授奧馬爾&middot;亞吉(Omar Yaghi)的實驗室生產(chǎn)，可以在三維空間中以無限數(shù)量的連接單元生產(chǎn)。由于各個單元機械地互鎖，而不是通過化學(xué)鍵連接，結(jié)構(gòu)可以彎曲而不斷裂。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們認為這具有非常重要的意義，不僅是在制造不斷裂的堅韌材料方面，而且還可以用于機器人、航空航天和裝甲服等領(lǐng)域。&rdquo;Yaghi說，他是詹姆斯和Neeltje Tretter化學(xué)客座教授，Kavli能源納米科學(xué)研究所和巴斯夫加州研究聯(lián)盟的聯(lián)合主任，也是加州伯克利大學(xué)巴卡爾地球數(shù)字材料研究所的首席科學(xué)家。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Yaghi和他的同事，包括第一作者，加州大學(xué)伯克利分校博士后馬天瓊，本周在《自然合成》雜志上報道了化學(xué)過程的細節(jié)。</p> <p>網(wǎng)狀化學(xué)</p> <p><br />使用Yaghi在30多年前發(fā)明的一種化學(xué)方法，鏈狀烷生產(chǎn)的飛躍是可能的:網(wǎng)狀化學(xué)。他將其描述為&ldquo;通過強鍵將分子積木拼接成晶體狀的擴展結(jié)構(gòu)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>利用這種技術(shù)，他已經(jīng)制造出了廉價的多孔材料&mdash;&mdash;金屬有機框架(MOFs)和共價有機框架(COFs)&mdash;&mdash;這些材料在捕獲、存儲或分離二氧化碳、氫氣和水蒸氣等氣體方面被證明是有用的。迄今為止，MOFs的品種已超過10萬個。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了制造mof，只需要合成正確的混合分子&mdash;&mdash;與有機配體相連的金屬團簇&mdash;&mdash;并將它們混合在溶液中，使它們連接起來形成剛性和高度多孔的3D網(wǎng)絡(luò)?？蚣軆?nèi)的化學(xué)基團被選擇來結(jié)合和釋放&mdash;&mdash;取決于特定溫度的分子，并拒絕其他分子。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Yaghi創(chuàng)造的一種MOF甚至可以從最干燥的空氣中提取水分，然后在加熱時釋放出來，從而在沙漠中捕獲水。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了制造連環(huán)烷，Yaghi和Ma合成了一種分子，在兩個相同的半部分之間交叉，由一個銅原子共價連接。這種結(jié)構(gòu)，他們稱之為catena-COF，讓人聯(lián)想到兩個相連的回旋鏢，在它們交叉的地方有一個銅原子。當混合時，這些分子連接起來，形成一個由連鎖構(gòu)件組成的多孔3D網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)建單元是一種叫做金剛烷的多面體分子，本質(zhì)上是把它們的六個臂鎖在一起，形成一個擴展的框架。</p> <p>&nbsp;</p> <p><img src="https://news.berkeley.edu/wp-content/uploads/2023/01/building-block.png" alt="a blue and red interlocking molecules" width="338" height="306" /></p> <p>Yaghi說:&ldquo;這里的新之處在于，建筑單元有這些交叉，因為這些交叉，你得到了具有有趣、靈活和彈性的聯(lián)鎖系統(tǒng)。&rdquo;&ldquo;它們被設(shè)計成一步走到一起。這就是網(wǎng)狀化學(xué)的力量。你不是一次只建造一個單元來建造更大的結(jié)構(gòu)，而是對它們進行編程，讓它們聚集在一起，自己生長。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>具有交叉的分子可以被化學(xué)改變，使最終的連環(huán)烷與特定化合物相互作用。Yaghi將這些材料(&infin;)稱為catenanes，使用無限的符號。</p> <p>&nbsp;</p> <p>他說:&ldquo;我認為這是制造材料的第一步，這種材料可以彎曲，并有可能對特定的運動等刺激做出反應(yīng)而變硬。&rdquo;&ldquo;因此，在某些方向上，它可以非常靈活，而在某些其他方向上，它可能會變得僵硬，這只是因為結(jié)構(gòu)的建造方式。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>他指出，雖然這些連環(huán)烷在微觀層面上向三個方向延伸，但它們可以做得足夠薄，用于二維用途，比如服裝。最近，一些科學(xué)家報告說，他們已經(jīng)通過3D打印創(chuàng)建了MOFs和COFs，因此3D打印連環(huán)烷也可能成為可能，就像織布一樣。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;傳統(tǒng)上，這種互鎖是通過一個多步驟、艱苦的過程來完成的，只制造有一個、兩個或三個互鎖環(huán)的分子，或多面體。但要制造具有驚人性能的材料，比如韌性和彈性，你需要制造數(shù)百萬個這樣的連鎖。&rdquo;他說。&ldquo;傳統(tǒng)的制作方法是行不通的。網(wǎng)狀化學(xué)和積木法一起出現(xiàn)了并且找到了一種一步完成的方法。這就是這份報告的力量所在。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項工作得到了阿卜杜勒阿齊茲國王科技城和國防高級研究計劃局(DARPA, HR001-119-S-0048)的部分支持。研究人員使用了勞倫斯伯克利國家實驗室(DOE DE-AC02-05CH11231)的高級光源資源。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點。</p> </blockquote>