分子材料

近年来，凝胶材料因其灵活可调的力学特性和丰富的功能，受到了各领域研究者的极大关注。然而，凝胶材料往往因溶剂的迁移而具有较低的稳定性，容易溶胀或干燥变形，已经成为制约凝胶材料深入应用的瓶颈难题。尽管已经开发了多种策略来提高凝胶的稳定性，然而，从热力学角度来看，如果凝胶中溶剂的含量偏离了聚合物的平衡溶胀状态，溶剂将不可避免的发生迁移。因此，若要准确控制凝胶中的溶剂含量，保持高稳定性，需要有效抑制溶剂迁移的动力学过程。基于“分子阻塞”超分子机制的有机凝胶构建思路。（论文课题组供图）机械互锁作用通过分子结构中的几何关系将不同的分子连接起来，这使得非共价连接的分子，能够保持稳定的聚集状态。西安交通大学化学学院“智能高分子”团队吴宥伸副教授和张彦峰教授，从机械互锁超分子原理中汲取灵感，提出了“分子阻塞”超分子机制，利用溶剂分子与交联网状结构之间的尺寸差异带来的阻滞，有效抑制溶剂在凝胶内的迁移。通过设计和合成分子尺寸超过1.4 nm的液态支链柠檬酸酯(branched citrate ester, BCE)，并将这种大体积分子作为溶剂与交联聚脲原位聚合，制备获得系列新型“分子阻塞”凝胶。“分子阻塞”凝胶具有与普通聚合物或弹性体相媲美的卓越稳定性，可储存10个月而无任何形貌或力学性能改变，并能耐受高温烘烤，保持质量和性能的稳定。特别是“分子阻塞”凝胶的杨氏模量能够在1.3 GPa至30 kPa的大范围内连续调控，变化幅度达到创纪录的43000倍，有效覆盖了现有交联树脂、塑料、弹性体和凝胶的范围。同时，“分子阻塞”效应作为一种非共价耗散机制，赋予了凝胶材料独特的粘弹性力学特性，使其具有高阻尼，达到和超过了商业化的聚氨酯和聚脲材料。上述研究成果，近期发表于《先进材料》，西安交通大学化学学院为第一单位，西安交通大学生命学院为合作单位。论文第一作者为化学学院吴宥伸副教授，论文通讯作者为化学学院副院长张彦峰教授。这一研究受到了国家自然科学基金和西安交通大学分析测试中心的支持。

p style=" text-indent: 2em " 在东南大学，有这样一位年轻的教授， /p p style=" text-indent: 2em " 他带领他的课题组成功地解决了 /p p style=" text-indent: 2em " 130年来 /p p style=" text-indent: 2em " 制约分子材料发展的世纪难题， /p p style=" text-indent: 2em " 连续两年在《科学》上发表论文。 /p p style=" text-indent: 2em " 他，就是化学化工学院游雨蒙教授。 /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201903/uepic/d6b8c976-f43d-425e-993d-8d0e5508a0f3.jpg" title=" 1.jpeg" alt=" 1.jpeg" / /p p /p p style=" text-indent: 2em " 游雨蒙的学生们这么评价他：“ strong span style=" color: rgb(0, 0, 0) " 游老师几乎满足了我们对一位好老师的所有想象！ /span /strong ” /p p style=" text-indent: 2em " strong 充满激情、学术精深 /strong /p p style=" text-indent: 2em " 游雨蒙的母亲出生于书香世家，在母亲的影响和教育下，他从小就肯动脑筋。 /p p style=" text-indent: 2em " 游雨蒙的父亲是一位科学家。游妈妈说，游爸爸从不关心儿子吃什么、穿什么，他只关心儿子学了什么。游雨蒙出国以后，每年寒假回家，父亲都引导他学习专业以外的基础理论，甚至亲自为他讲解《群论》《量子物理》等课程。 /p p style=" text-indent: 2em " 游雨蒙在南京大学电子系度过了大学时代。在众多课程中，最让他难忘的是一节高频电路课。在那节课上，陈孝贞教授说，中国需要从国外进口很多芯片，然而国外出售给我们的都是“门槛”很低的民用芯片，商用、军用的芯片根本买不到。游雨蒙说：“ strong 那一天，我第一次感觉到，我将来也许可以在科研方面为祖国做点什么！ /strong ” /p p style=" text-indent: 2em " 从此，他有了自己的小目标：毕业以后要出国学习先进技术。2005年，游雨蒙出国求学，从新加坡国立大学、南洋理工大学到美国耶鲁大学、哥伦比亚大学。无论身在何处，他都有一个坚定的信念： strong 学成之后，一定要回国 /strong 。 /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201903/uepic/fbdf4e95-2dd8-49a1-92fe-a4c36883153d.jpg" title=" 2.jpeg" alt=" 2.jpeg" width=" 594" height=" 396" style=" width: 594px height: 396px " / /p p /p p style=" text-indent: 2em " strong 扎实前行、耕耘不辍 /strong /p p style=" text-indent: 2em " 2005年，游雨蒙获得新加坡国立大学硕博连读奖学金，后又转入新加坡南洋理工大学，师从申泽镶教授。到了新加坡以后，游雨蒙发现自己的专业背景跟申教授的研究方向有较大差距，他开始拼命地补齐自己的短板，很快进入研究的快车道。 /p p style=" text-indent: 2em " 2010年，游雨蒙申请到美国耶鲁大学化学系做博士后，师从ElsaYan教授。初到美国，面对全新的研究环境和陌生的研究方向，游雨蒙感到前所未有的压力。 strong 那段时间，他每天工作到深夜，凌晨1、2点离开实验室成了“家常便饭” /strong 。 /p p style=" text-indent: 2em " 在耶鲁的第一个实验“光学非线性微乳状液”实验就给他来了个结结实实的“下马威”。实验失败后，游雨蒙丝毫没有怨天尤人，他一步步地筛查实验过程中可能存在的问题，找到问题的症结——实验仪器的洁净程度不够，导致样品变性。从此，他每次实验前都做特别细致的准备，往往为了一天的实验，花4天甚至更多的时间做准备。 /p p style=" text-indent: 2em " 在准备实验的日子里，游雨蒙需要不停地刷瓶子、配溶液。一个“光学非线性微乳状液”实验， strong 游雨蒙差不多洗了2000多个瓶子 /strong 。 /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201903/uepic/4c8e950f-4c4c-4f54-9804-1dde84089d72.jpg" title=" 3.jpeg" alt=" 3.jpeg" / /p p /p p style=" text-indent: 2em " 从耶鲁博士后出站后，游雨蒙去哥伦比亚大学做了3年博士后。他在哥大的导师是犹太裔的TonyHeinz教授，这位教授的名字在世界二维材料和凝聚态物理领域如雷贯耳。受Heinz教授的影响，游雨蒙更加刻苦。在哥伦比亚大学的3年时光，他的节假日几乎都是在实验室里度过的，连元旦也不例外。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 2014年，在TonyHeinz教授的一再挽留之后，游雨蒙还是坚定地回国了。当时，他面临很多选择。在和熊仁根教授交流之后，游雨蒙下定决心来到东南大学。 /strong /p p style=" text-indent: 2em " 慧眼识才的熊教授爽朗直言：“研究分子铁电不单需要化学知识，也需要物理知识。到我这里来吧！我缺的，你有。你缺的，我这儿都有！” /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201903/uepic/d3f99023-6fe6-4799-bd12-71c7af2e6ec8.jpg" title=" 4.jpeg" alt=" 4.jpeg" / /p p /p p style=" text-indent: 2em " 在外人看来，游雨蒙特别幸运。 strong 36岁的年纪，已经在《科学》上发表了两篇论文。2017年，他被教育部评为“青年长江学者”，同期，他还获得了江苏省“杰出青年基金”“双创人才项目”的支持。 /strong 但是，熟悉他的人都知道，幸运、荣誉的背后，有太多不为人知的付出。 /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201903/uepic/c5530322-4db0-48b5-a5e1-3006b154b428.jpg" title=" 5.jpeg" alt=" 5.jpeg" / /p p /p p /p p style=" text-indent: 2em " 分子压电材料是游雨蒙的研究方向之一。目前，压电材料在航空航天、超声、医疗、电子信息等各个方面已经获得了广泛的应用。人们希望实现手机、笔记本电脑屏幕的弯折，希望将血压计、B超机做成能穿在身上的“可穿戴器件”。这一切，都对电子元件的微型化、柔性化、轻量化提出了更高的要求。 /p p style=" text-indent: 2em " 然而，传统压电材料很难实现这些要求。无机陶瓷材料的压电性能虽好，但其硬度极高，无法折叠。而一般柔韧性好、可折叠的有机高分子压电材料性能却不甚理想。此外，传统压电陶瓷中往往含有潜在的有毒金属。 /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201903/uepic/283390e7-4e37-4c51-9755-950462e978e0.jpg" title=" 6.jpeg" alt=" 6.jpeg" width=" 604" height=" 907" style=" width: 604px height: 907px " / /p p /p p style=" text-indent: 2em " strong 2017年7月21日，游雨蒙教授课题组在《科学》上发表了题为《一种具有巨大压电响应的有机-无机钙钛矿铁电体》的论文。这一研究成果不但解决了130年来制约分子材料发展的世纪难题，更是标志着我国在分子材料领域又一次走在了世界前列。 /strong /p p style=" text-indent: 2em " strong 2018年，游雨蒙教授课题组又一次取得重大突破——研制出世界首例无金属钙钛矿型铁电体。7月13日，相关研究结果以《无金属三维钙钛矿铁电体》为题被《科学》杂志在线发表。 /strong /p p style=" text-indent: 2em " 《科学》杂志早在2002年就预言过无金属钙钛矿材料的种种新奇特性。其中，明确提出了利用手性分子组装具有手性对映体的无金属钙钛矿材料。 /p p style=" text-indent: 2em " 课题组利用带电分子集团取代无机离子，成功地制备出了一大类共计23种全有机新型钙钛矿材料。其中，共有17种材料显示出了良好的铁电性。值得一提的是，团队合成了2种材料的左手对映体、右手对映体及其外消旋化合物，并进一步证明了它们的铁电性。此前，这样左手性、右手性和无手性化合物同时具有铁电性的情况，在国际上从未有过报道。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 这一研究成果将十余年前的预言变成了现实，为钙钛矿这一重要的材料家族增添了新的成员，同时也为铁电材料的研究带来了新的思路和方向。 /strong /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201903/uepic/84d80599-50e8-415b-960e-7899cae734d0.jpg" title=" 7.jpeg" alt=" 7.jpeg" width=" 600" height=" 560" style=" width: 600px height: 560px " / /strong /p p /p p style=" text-indent: 2em " 高大英俊、年富力强、科研出色，还热爱跑步、健身……正如学生所讲，游老师满足了他们对一位好老师的所有想象，但他并没有“恃宠而骄”，而是踏踏实实做科研，“牛”而不骄、平易近人，身体力行地诠释着东大人“止于至善”的精神。 /p

p style=" line-height: 1.5em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 近日，中国科学院国家纳米科学中心、纳米科学卓越创新中心研究员唐智勇和副研究员李连山在具有刚性分子骨架的自组装多孔薄膜用于高效有机小分子分离的研究中取得新进展。相关研究成果Microporous membranes comprising conjugated polymers with rigid backbones enable ultrafast organic-solvent nanofiltration 于7月23日在线发表在《自然-化学》(Nature Chemistry)杂志 (Nat. Chem. 2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0093-9)。 /p p style=" line-height: 1.5em " 　　当今工业过程中涉及大量的分离、纯化或者浓缩过程，因此分离技术成为现代工业中最重要的技术之一。目前，分离纯化过程主要依赖于高能耗的基于热的过程，例如蒸馏、蒸发、精馏等。据统计，化工工业中用于分离和纯化的能源消耗占据了全部能源消耗的一半，其中80%被蒸馏过程消耗。因此，开发低能耗、高效的分离纯化技术将极大降低能源消耗。 /p p style=" line-height: 1.5em " 　　膜分离过程是一种在选择性膜两侧施加压力差，使得待分离物质选择性通过膜从而实现分离的过程，这一过程的核心技术是高效、高选择性膜材料。这一技术在水纯化或者海水脱盐方面已经有了很成熟的应用，利用聚酰胺等聚合物材料的薄膜实现杂质或离子去除。然而，其在有机体系的应用相对滞后，这是因为大部分传统的一维聚合物材料在有机溶液中不稳定。其次，传统一维聚合物薄膜没有永久性孔，导致分离速度非常低下。 /p p style=" line-height: 1.5em " 　　为了同时解决高稳定性、高溶剂通量及高选择性的问题，唐智勇课题组选择了具有刚性骨架的自组装多孔聚合物材料。这种材料相比于传统的一维柔性聚合物材料有非常大的优势：第一，三维全共轭结构使得这类材料在任何溶剂中不溶，且具有很高的热稳定性 第二，刚性骨架支撑起丰富的自组装微孔，有利于溶剂的传输 最后，可通过化学手段对孔结构或尺寸进行调控。然而其三维刚性结构在解决了结构稳定性的同时，其不溶的特性也同时带来了材料成膜困难的问题。因此，如何获得高质量的薄膜是解决这类材料在膜分离领域应用的关键一步。受一维聚合物表面聚合的启发，该课题组在SiO sub 2 /sub 表面修饰初始聚合位点后进行表面聚合反应，通过精细控制表面修饰及聚合反应条件，获得了平方厘米级的无缺陷薄膜并成功转移至超滤膜多孔支撑层。分子截留测试表明，其对有机溶剂具有极高的稳定性，在同等选择性基础上，过滤速度较目前商用的一维柔性聚合物薄膜高出两个数量级。这一结果主要得益于这类材料永久性微孔结构及高孔隙率，使其有望成为新一代高效膜分离材料。 /p p style=" line-height: 1.5em " 　　国家纳米中心博士梁斌和助理研究员王会为文章的共同第一作者 唐智勇、李连山为共同通讯作者。 /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/5a4b40ad-e20b-47d9-9ef0-26d1a80e97c4.jpg" title=" W020180724535051727276.jpg" / /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " 聚合物全刚性骨架支撑起自组装结构中高度联通的永久性微孔& nbsp /p