中山大學團隊成功制備出編織晶界聚合物均孔膜

近日，中山大學化學學院教授鄭治坤團隊成功制備出高韌性、高彈性、高機械強度的編織晶界聚合物均孔膜，并報告了一種利用犧牲性小分子結構導向劑導向相鄰晶疇形成編織晶界結構的制備方法。相關成果發表于《自然》。

編織晶界聚合物均孔膜合成示意圖。中山大學供圖

“該工作為晶態材料在柔性器件和分離膜方面的應用奠定了堅實的基礎。”論文唯一通訊作者鄭治坤對《中國科學報》表示，該研究通過構建編織晶界，建立了一種改善晶態材料脆性并同步增強其機械強度和韌性的方法，有望擴展晶體膜在分離、光電、柔性器件等領域的應用。

“做一張更高效、更可靠、更耐用的分離膜，這是我們的出發點。”在鄭治坤的實驗室，我們見到了附著在硅片上的彈性晶體膜。如果不是鑷子夾取造成的殘缺，幾乎肉眼無法看見它的存在。然而，做好這樣一張膜，鄭治坤團隊整整用了5年時間。

“理論上，膜分離是常規分離成本的十分之一。”鄭治坤說。傳統有機高分子材料制成的分離膜，浸到油里會被溶解或溶脹，使用全結晶的分離膜則不會。

晶界是晶體內部的缺陷結構，通常，天然和合成晶態材料是由多個單晶晶疇連接到一起，其間的大量晶界制約著材料的機械穩定性。這一影響在由單層原子或少數原子層構成的二維晶體中格外嚴重，一個線性晶界就將導致二維晶體薄膜的斷裂。此外，如同木材剛勁則容易折斷、柔軟則難以承重，二維晶體的機械強度與韌性往往相互制約。

鄭治坤教授指導博士生楊永航做實驗。中山大學供圖

經過大量的觀察和實驗，鄭治坤團隊想到了高分子材料中的一種典型結構——編織結構。如同毛衣由毛線經緯交織而成，部分高分子材料在聚合時也能相互纏繞、交錯，從而擁有較強的柔性。“這種結構一般不會在晶體中存在，但為了獲得這種柔性的性質，也許可以把這種結構遷移到晶體中去。”鄭治坤說。

實驗表明，這種全新晶界結構——編織晶界連接形成的晶態聚合物膜具有高韌性、高彈性和高機械強度的特點，其抗壓性能接近鋁合金和黃金。當材料受力斷裂時，裂紋不擴展，且不影響裂紋附近膜的機械性能。

在這個思路的指導下，鄭治坤團隊在制備二維晶體聚合物時加入犧牲性導向試劑，以線性聚合物為“梭”，利用其自發纏繞、穿插的特性，將二維聚合物編織起來，形成編織晶界。待晶界形成，線性聚合物又會隨排異的結晶過程自動離開。

進一步實驗表明，這種全新晶界結構——編織晶界連接形成的晶態聚合物膜具有高韌性、高彈性和高機械強度的特點，其抗壓性能接近鋁合金和黃金。當材料受力斷裂時，裂紋不擴展，且不影響裂紋附近膜的機械性能。

鄭治坤表示，這為二維晶體材料在柔性器件和分離膜方面的應用奠定了基礎。柔性材料可用于生產柔性顯示器、柔性電池、柔性傳感器等；膜分離技術則已普遍用于化工、環保、生物工程等領域。與常規膜分離相比，全結晶的聚合物膜有望以更高效率分離出更高純度的物質。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07505-x