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  力化學(xué)的高速發(fā)展為科學(xué)家從分子尺度研究并調(diào)控聚合物材料對外力的響應(yīng)提供了契機(jī)。得益于一類對力敏感的小分子基團(tuán)（力敏團(tuán)，mechanophore），材料學(xué)家可將傳統(tǒng)上對材料具有破壞作用的機(jī)械力轉(zhuǎn)化有用的輸出，并賦予材料各式各樣的力響應(yīng)特性，包括損傷探測、自修復(fù)、自增強(qiáng)/增韌、釋放特定小分子或質(zhì)子、催化化學(xué)反應(yīng)等等。設(shè)計和制備性能優(yōu)越的力敏團(tuán)以適應(yīng)材料所處的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境一直是高分子力化學(xué)的巨大挑戰(zhàn)之一。

  近日，來自廈門大學(xué)化學(xué)系翁文桂課題組、吉林大學(xué)超分子結(jié)構(gòu)與材料國家重點實驗室張文科教授課題組、利物浦大學(xué)化學(xué)系Roman Boulatov教授課題組攜手合作，在Nature Communications上（doi:10.1038/s41467-017-01412-8）報道了一類具有栓系鏈結(jié)構(gòu)的環(huán)狀肉桂酸二聚體的多模式力敏團(tuán)。

  量子化學(xué)計算表明肉桂酸二聚體中環(huán)丁烷單元開環(huán)所需外力與二聚體的立體構(gòu)型（syn或者anti）、外力的作用位置（酚羥基處或甲氧基處）、冠醚鏈的連接位置和長短等因素有關(guān)，在1-2 nN左右可調(diào)。高分子主鏈的受力隨機(jī)斷裂反應(yīng)所需的外力約> 5 nN，因此肉桂酸二聚體完全可以在主鏈斷裂之前的受力活化。栓系鏈的存在又使得力敏團(tuán)的活化開環(huán)不至于直接導(dǎo)致聚合物產(chǎn)生斷鏈而降解。

  單分子力譜實驗表明，順式肉桂酸二聚體（syn-2a）和反式肉桂酸二聚體（anti-2a）分別在1 nN和2nN時發(fā)生活化，釋放2.5nm/每單元的冠醚鏈（如圖），與量化計算結(jié)果完美符合。次序性的可控力活化過程具有類似肌聯(lián)蛋白等生物大分子的解折疊過程和增韌機(jī)理。整個活化過程中聚合物骨架鏈長度增加2倍以上，耗散應(yīng)變能多達(dá)600 kcal/mol，差不多比通常的高分子鏈強(qiáng)度提高15倍。此力敏團(tuán)因此具備用于制備超高強(qiáng)度聚合物材料的潛力。

  共聚物的溶液超聲實驗表明，肉桂酸二聚體能在宏觀形變中解離，同時伴隨體系紫外吸收的改變有望應(yīng)用于損傷探測。此外，生成的肉桂酸單體具有光化學(xué)反應(yīng)活性，能夠進(jìn)行重新二聚和其他反應(yīng)，可用于材料損傷后的修復(fù)、增強(qiáng)等，能夠有效提升材料的安全性和使用壽命。同時，該系統(tǒng)還具有巨大的可拓展性，預(yù)計將可引領(lǐng)一系列研究工作的開展。

  論文鏈接：http://www.nature.com/articles/s41467-017-01412-8

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