結塊過程經(jīng)常在固體顆粒上發(fā)生，是人們日常生活中極為常見的一種現(xiàn)象，它是由分散的粉末顆粒間橋連形成連續(xù)的團塊固體所引起的。而工業(yè)上，由于結塊現(xiàn)象極易導致固體產(chǎn)品質量的降低乃至功能性的喪失，這一過程在食品、藥制品等工業(yè)的生產(chǎn)與儲存運輸中都是需要去盡量避免的。因此，千百年來，人們一直竭力于尋找消除結塊過程的方法，但卻鮮有能夠利用結塊過程的報道。而與此同時，人們在構筑宏觀塊體薄膜材料上也傾注了大量的精力。為了得到塑性薄膜，人們通常會對高聚物溶液揮干溶劑或對高分子的熔體進行熱塑成型，從而造成大量的能量消耗。因此，亟待發(fā)掘簡單、節(jié)能、高效的新型薄膜材料構筑方法。
近期，北京大學黃建濱教授、閻云副教授課題組則將結塊過程與構筑塑性薄膜相結合，正向地將結塊的原理應用于由粉末材料向連續(xù)的液晶相超分子薄膜的構筑上，提出了一種全新且十分簡便的構筑薄膜材料的方法。首先，一種大頭基的表面活性劑(DEAB)可以與反電荷的多頭配體(TPE-BPA)得到一種納米尺寸的無規(guī)配位簇，而后金屬離子(Zn2+)的加入則可迅速使之交聯(lián)形成無定形的白色沉淀物。通過自發(fā)的結塊過程，沉淀中的分子可進一步發(fā)生重排運動，并使其由白色粉末狀的固體在短時間內轉變形成透明且可自支撐的薄膜材料。
圖1 通過結塊過程自發(fā)成膜
這種超分子薄膜材料的力學性質與塑性高分子相近，抗張強度為(0.65 ± 0.16) MPa，但卻具備在室溫及適宜的濕度環(huán)境下通過手指尖的壓力完成修復與鑄造的能力。力學測試表明這種可塑超分子薄膜在數(shù)十次的重鑄后也不會出現(xiàn)疲勞和強度降低，預示著其優(yōu)越的材料工程性能。
圖2 指壓成膜與多種加工圖案
基于這種“自下而上”的方法，許多的功能組分都可以被引入膜中，使其成為一個通向多功能材料發(fā)展的平臺，例如摻入染料分子可以實現(xiàn)多色發(fā)光器件的構筑、摻入指示劑分子可以制成污染性氣體傳感薄膜等。此外，研究者還驗證了這種策略可拓展至其它的化學設計中，如不同的多頭配體、不同的表面活性劑分子、不同的金屬離子甚至不同的非共價作用方式，從而得到基于不同化學組成所構筑的超分子薄膜。研究者期待這種策略能夠為新型超分子塊體薄膜材料的發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)造，提供一種全新的制備方法與研究視角。
圖3 構筑策略總體圖示
該研究成果以“Caking-Inspired Cold Sintering of Plastic Supramolecular Films as Multifunctional Platforms”為題，以 Front piece paper的形式發(fā)表于2018年7月12日的《先進功能材料》Advanced Functional Materials上（2018,1803370，DOI: 10.1002/adfm.201803370），并被Nature新聞選為研究熱點在7月24日作簡訊報道。北京大學化學與分子工程學院閻云副教授為該文通訊作者，研究生謝蒙琪為該文第一作者，香港科技大學唐本忠院士指導了配體分子的合成。該工作得到了國家自然科學基金委等項目的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201803370
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