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南京大學(xué)李承輝副教授和左景林教授《Adv. Mater.》綜述:基于配位鍵的自修 復(fù)高分子材料

文章出處:本站 人氣:10536 發(fā)表時間:2019-10-17 15:30:04

自修 復(fù)能力是自然界中生物的一項(xiàng)重要生存本領(lǐng),它使得生物能夠自發(fā)地修 復(fù)受傷的部位。通過摻入修 復(fù)試劑、引入可逆的共價鍵或非共價相互作用,研究者們已經(jīng)合成出很多自修 復(fù)材料。在非共價相互作用中,配位鍵已經(jīng)被證明為是一種行之有效的構(gòu)建高效自修 復(fù)聚合物的方法。而且在金屬離子、配體以及動態(tài)配位鍵的存在下,自修 復(fù)高分子還可以展現(xiàn)出其他的性質(zhì),如介電性、發(fā)光性、磁性、催化、刺激響應(yīng)和形狀記憶效應(yīng)等等。

近日,南京大學(xué)配位化學(xué)國 家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李承輝副教授和左景林教授應(yīng)邀撰寫了題為“Self-Healing Polymers Based on Coordination Bonds”的綜述論文,梳理總結(jié)了最近在以配位鍵構(gòu)建自修 復(fù)材料領(lǐng)域的研究進(jìn)展。該論文最近在線發(fā)表在Advanced Materials上(Adv. Mater., 2019, 1903762)。

該文首先討論了配位鍵在構(gòu)建自修 復(fù)材料方面的優(yōu)勢:配位鍵的形成往往是焓減熵增的熱力學(xué)自發(fā)過程,有利于制備無需任何外界刺激就能修 復(fù)的材料;配位鍵的鍵能容易調(diào)節(jié),可以通過軟硬酸堿理論選擇合適的金屬離子與配體來獲得弱的動態(tài)配位鍵從而使材料獲得出色的修 復(fù)性質(zhì);配合物可兼具熱力學(xué)穩(wěn)定性和動力學(xué)活潑性,有助于設(shè)計(jì)合成高強(qiáng)度的自修 復(fù)性質(zhì)的材料,解決材料機(jī)械力學(xué)強(qiáng)度與自修 復(fù)性質(zhì)之間的矛盾問題;同時配位鍵的引入還可以給材料帶來介電性、發(fā)光性、磁性、催化性質(zhì)以及形狀記憶效應(yīng)等功能,有利于得到功能化的自修 復(fù)材料。

接著,該文概括了目前常用于構(gòu)建自修 復(fù)材料的幾類配體。目前研究最多、表征最完善的體系當(dāng)屬受貽貝啟發(fā)而發(fā)現(xiàn)的金屬-鄰苯二酚(Catechol)以及金屬-組氨酸(histidine)配位鍵,利用這些配位鍵人們已經(jīng)得到了大量力學(xué)強(qiáng)度高、自修 復(fù)性質(zhì)優(yōu)良、粘附性好的高分子材料并應(yīng)用于涂料、膠粘劑等領(lǐng)域。2011年Rowan報道了首例基于三聯(lián)吡啶配體的自修 復(fù)材料,之后吡啶類配體就成為設(shè)計(jì)自修 復(fù)材料的熱門選擇??紤]到三齒配體聯(lián)吡啶鍵能太高導(dǎo)致修 復(fù)時需要外界刺激,人們使用雙齒和單齒以及混合配體來降低自修 復(fù)所需要的溫度。另外,羧酸配體、席夫堿配體、膦配體、硫配體等也逐漸被人們廣泛使用。表1列舉了一些用于構(gòu)建自修 復(fù)高分子材料的常見配位體系。

表1  用于構(gòu)建自修 復(fù)高分子材料的常見配位體系

最后,文中還討論了一些基于配位鍵的功能化自修 復(fù)高分子材料。目前已報道的功能包括發(fā)光、介電、刺激響應(yīng)、形狀記憶、軟驅(qū)動器和催化活性等,這些功能有些來源于金屬離子,有些來源于配體,另外一些則來源于配位鍵的環(huán)境敏感性質(zhì)。

研究材料的最終目的是為了實(shí)現(xiàn)它們在日程生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用。如何得到各種功能化的自修 復(fù)材料,并且實(shí)現(xiàn)自修 復(fù)功能與其它功能的耦合(即材料的受損與修 復(fù)伴隨著功能的喪失與恢復(fù)),將是未來自修 復(fù)材料的重要研究方向之一。同時,在目前基于配位鍵的自修 復(fù)材料中,對研究機(jī)理和修 復(fù)過程的研究還不多,難度也比較大,也是這個領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵問題。

該篇文章的作者是南京大學(xué)配位化學(xué)國 家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的李承輝副教授和左景林教授,論文得到國 家自然科學(xué)基金(21631006, 21271099)和江蘇省自然科學(xué)基金(BK20170016)的資助。

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