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南京大学李承辉副教授和左景林教授《Adv. Mater.》综述:基于配位键的自修 复高分子材料

文章出处:本站 人气:3771 发表时间:2019-10-17 15:30:04

自修 复能力是自然界中生物的一项重要生存本领,它使得生物能够自发地修 复受伤的部位。通过掺入修 复试剂、引入可逆的共价键或非共价相互作用,研究者们已经合成出很多自修 复材料。在非共价相互作用中,配位键已经被证明为是一种行之有效的构建高效自修 复聚合物的方法。而且在金属离子、配体以及动态配位键的存在下,自修 复高分子还可以展现出其他的性质,如介电性、发光性、磁性、催化、刺激响应和形状记忆效应等等。

近日,南京大学配位化学国 家重点实验室李承辉副教授和左景林教授应邀撰写了题为“Self-Healing Polymers Based on Coordination Bonds”的综述论文,梳理总结了最近在以配位键构建自修 复材料领域的研究进展。该论文最近在线发表在Advanced Materials上(Adv. Mater., 2019, 1903762)。

该文首先讨论了配位键在构建自修 复材料方面的优势:配位键的形成往往是焓减熵增的热力学自发过程,有利于制备无需任何外界刺激就能修 复的材料;配位键的键能容易调节,可以通过软硬酸碱理论选择合适的金属离子与配体来获得弱的动态配位键从而使材料获得出色的修 复性质;配合物可兼具热力学稳定性和动力学活泼性,有助于设计合成高强度的自修 复性质的材料,解决材料机械力学强度与自修 复性质之间的矛盾问题;同时配位键的引入还可以给材料带来介电性、发光性、磁性、催化性质以及形状记忆效应等功能,有利于得到功能化的自修 复材料。

接着,该文概括了目前常用于构建自修 复材料的几类配体。目前研究最多、表征最完善的体系当属受贻贝启发而发现的金属-邻苯二酚(Catechol)以及金属-组氨酸(histidine)配位键,利用这些配位键人们已经得到了大量力学强度高、自修 复性质优良、粘附性好的高分子材料并应用于涂料、胶粘剂等领域。2011年Rowan报道了首例基于三联吡啶配体的自修 复材料,之后吡啶类配体就成为设计自修 复材料的热门选择。考虑到三齿配体联吡啶键能太高导致修 复时需要外界刺激,人们使用双齿和单齿以及混合配体来降低自修 复所需要的温度。另外,羧酸配体、席夫碱配体、膦配体、硫配体等也逐渐被人们广泛使用。表1列举了一些用于构建自修 复高分子材料的常见配位体系。

表1  用于构建自修 复高分子材料的常见配位体系

最后,文中还讨论了一些基于配位键的功能化自修 复高分子材料。目前已报道的功能包括发光、介电、刺激响应、形状记忆、软驱动器和催化活性等,这些功能有些来源于金属离子,有些来源于配体,另外一些则来源于配位键的环境敏感性质。

研究材料的最终目的是为了实现它们在日程生活和生产中的应用。如何得到各种功能化的自修 复材料,并且实现自修 复功能与其它功能的耦合(即材料的受损与修 复伴随着功能的丧失与恢复),将是未来自修 复材料的重要研究方向之一。同时,在目前基于配位键的自修 复材料中,对研究机理和修 复过程的研究还不多,难度也比较大,也是这个领域需要解决的关键问题。

该篇文章的作者是南京大学配位化学国 家重点实验室的李承辉副教授和左景林教授,论文得到国 家自然科学基金(21631006, 21271099)和江苏省自然科学基金(BK20170016)的资助。

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