什么是超分子化學(xué)？

超分子化學(xué)（supramolecular chemistry）最先由法國(guó)科學(xué)家J.M Lehn提出，是化學(xué)與生物學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多門學(xué)科交叉構(gòu)成的邊緣科學(xué)。近年來，科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)了具有刺激響應(yīng)性、柔韌性、彈性和韌性等特征的基于有機(jī)硅的超分子材料，這些特性使其成為新興領(lǐng)域最有希望的研究方向，如人造皮膚，軟機(jī)器人技術(shù)和先進(jìn)涂料等領(lǐng)域。

在涂料應(yīng)用中，聚合物涂料具有結(jié)合力強(qiáng)，可與多種基材結(jié)合，廣泛的液體排斥，自我修復(fù)能力強(qiáng)，在各種應(yīng)用中有很大的需求。然而，目前的超分子有機(jī)硅材料缺乏令人滿意的剛度和機(jī)械強(qiáng)度，且尚未系統(tǒng)地研究它們?cè)诟鞣N基材上的結(jié)合能力。

亮點(diǎn)

近期，香港城市大學(xué)姚希教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種易于制造且具有罕見功能組合的自修復(fù)疏油超分子有機(jī)硅（DOSS）涂層，具有對(duì)各種烷基油的廣泛疏液性、高機(jī)械強(qiáng)度、多種表面的強(qiáng)粘附性和自修復(fù)等性能。DOSS涂層是通過多價(jià)氫鍵自組裝到涂層基材上的硅氧烷低聚物獲得上述性能，不僅可以用于能源、環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)需要長(zhǎng)期服務(wù)于惡劣環(huán)境的應(yīng)用，而且低聚物的設(shè)計(jì)策略也可用于開發(fā)具有理想性能的多功能超分子材料。

DOSS涂層由分子工程遠(yuǎn)螯式硅氧烷低聚物制備得到，如圖1所示，該低聚物具有獨(dú)特的三臂設(shè)計(jì)，具有三官能中心和末端的2-氨基-4-羥基-6-甲基嘧啶（UPy）基序，并且每個(gè)臂上均具有硅氧烷骨架，可以通過多價(jià)氫鍵自組裝到各種基材表面。與線性聚合物相比，該低聚物在自組裝成大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)時(shí)可以提供更高的交聯(lián)密度，獨(dú)特分子構(gòu)型還使它們對(duì)有機(jī)液體具有強(qiáng)大的排斥力，并與金屬、塑料、橡膠甚至特氟龍?jiān)趦?nèi)的各種基材牢固結(jié)合，這將整體提升DOSS涂層的表面和機(jī)械性能。

圖1. DOSS涂層制備機(jī)理圖。

膠粘性能

隨后，研究人員評(píng)估DOSS涂層在各種基材上的膠粘性能。研究人員將硅氧烷低聚物沉積在載玻片上，通過加熱處理以產(chǎn)生0.2mm的均勻薄膜；然后將另一塊基板壓在該粘合劑層上，即可在兩個(gè)基板間形成硅氧烷低聚物網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)均勻的接觸和牢固的粘合。如圖2所示，在兩個(gè)粘合面積1cm2的基板上均可懸掛1kg的重量，并且在親水性纖維素（紙）、聚四氟乙烯、鋼板、玻璃板等基材上都能起到很好地膠粘作用。

圖2. 硅氧烷低聚物作為膠粘劑材料的實(shí)際應(yīng)用圖

如圖3的定量測(cè)試表明，纖維素（紙）和所有測(cè)試的金屬基材的剪切強(qiáng)度均超過20MPa，這是現(xiàn)有商業(yè)膠水及其他已報(bào)道的膠粘劑材料所達(dá)不到的性能。這種高剪切強(qiáng)度可歸因于硅氧烷低聚物的高機(jī)械強(qiáng)度以及基板和UPy基序之間的高密度氫鍵，在各種基材上的高機(jī)械強(qiáng)度和強(qiáng)大的粘合強(qiáng)度更加凸顯了硅氧烷低聚物作為通用粘合劑的多功能性。

圖3. DOSS涂層與商用膠水剪切強(qiáng)度對(duì)比

疏油和自我修復(fù)特性

研究人員所制備的DOSS涂層還表現(xiàn)出優(yōu)異的自修復(fù)性能。研究人員將涂層交叉切割并通過液滴在表面上的滑動(dòng)來檢測(cè)涂層的疏油性。正十六烷液滴很容易從基板上的DOSS涂層表面滑下來（圖5A）；交叉切割后，正十六烷液滴被阻塞并固定在涂層的損傷區(qū)域（圖5B）；隨后去除表面上的殘留液滴，并加熱涂層15分鐘，切割線隨之消失；然后液滴又能在愈合的表面上平滑滑動(dòng)（圖5C）。研究人員隨后測(cè)試30次切割愈合周期來進(jìn)一步研究涂層耐久性。結(jié)果表明，重復(fù)處理不會(huì)影響涂層的形態(tài)和化學(xué)性質(zhì)，這意味著該DOSS涂層具有優(yōu)異的疏油耐久性和自我修復(fù)特性。

圖4. DOSS涂層疏油和自我修復(fù)特性表征

在本篇文章中，研究人員提供了一種易于使用的策略，用于快速制造具有強(qiáng)粘附性的自修復(fù)DOSS涂層，并系統(tǒng)地研究了基板上組裝的低聚物的結(jié)構(gòu)。該策略提供了一種新穎而強(qiáng)大的途徑來制造和工程化具有所需多功能性的超分子材料，為在惡劣條件下使用的材料提供了新的研究方向，我們相信這項(xiàng)技術(shù)在未來將在涂料、自清潔、催化和傳熱等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用！

原文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/5/11/eaaw5643