中大新聞?dòng)崳ㄍㄓ崋T劉健陽）高結(jié)晶度材料的機(jī)械物理性能主要取決于其缺陷結(jié)構(gòu)，缺陷特別是晶界缺陷嚴(yán)重破壞高結(jié)晶度材料的機(jī)械性能，而天然和合成晶態(tài)材料通常為多晶，故晶態(tài)材料機(jī)械穩(wěn)定性不高。同時(shí)，同木材、玻璃和塑料等一樣，晶態(tài)材料的機(jī)械強(qiáng)度（材料在外力作用下抵抗破壞的能力）與韌性（材料在受到外力沖擊時(shí)吸收能量并抵抗斷裂的能力）相互制約，如何改善高結(jié)晶材料的脆性，同步增強(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度和韌性為晶態(tài)材料當(dāng)前面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。
鄭治坤教授課題組一直致力于通過共價(jià)有序結(jié)構(gòu)成孔和缺陷結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)晶態(tài)聚合物均孔膜可控制備、結(jié)構(gòu)和性能調(diào)控及其在碳四到碳八分離方面的應(yīng)用研究。2019年，課題組通過小分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑輔助界面聚合和結(jié)晶過程，建立了水面上可控制備高結(jié)晶度聚合物均孔膜的普適性新方法（Nat. Chem., 2019, 11, 994-1000）。通過對(duì)聚合和結(jié)晶過程跟蹤，揭示了聚合和結(jié)晶機(jī)理（Nat. Chem. 2023, 15, 841），并通過近原子尺度下對(duì)晶態(tài)聚合物均孔膜缺陷結(jié)構(gòu)跟蹤和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了晶態(tài)聚合物均孔膜孔結(jié)構(gòu)均一化（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 3927–3933; J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 7, 3233; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 22079）。但將所得晶態(tài)聚合物均孔膜用于壓力驅(qū)動(dòng)的分離過程時(shí)，膜易破裂并導(dǎo)致非選擇性滲透。
編織晶界聚合物均孔膜合成示意圖
為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，鄭治坤教授領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊(duì)利用犧牲性小分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑導(dǎo)向相鄰晶疇晶態(tài)聚合物分子鏈編織，構(gòu)建了一種全新晶界結(jié)構(gòu)-編織晶界，賦予了全結(jié)晶聚合物均孔膜高機(jī)械強(qiáng)度、韌性和彈性（圖1）。大面積膜抗壓性能接近致密材料鋁合金和黃金，受力斷裂時(shí)，斷裂僅發(fā)生在受力集中點(diǎn)，裂紋不擴(kuò)展，裂紋附近膜的機(jī)械性能與斷裂前無差別，而一般全結(jié)晶材料裂紋一旦形成會(huì)迅速擴(kuò)展，且裂紋嚴(yán)重影響機(jī)械性能。該工作通過構(gòu)建編織晶界，建立了一種改善晶態(tài)材料脆性并同步增強(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度和韌性的方法，為晶態(tài)材料在柔性器件和分離膜方面的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
相關(guān)成果以Elastic films of single-crystal two-dimensional covalent organic frameworks為題發(fā)表在Nature上。中山大學(xué)博士研究生楊永航和德國烏爾姆大學(xué)梁寶坤博士為論文的共同第一作者，鄭治坤教授為唯一通訊作者。上述研究得到了國家自然科學(xué)基金，中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院和綠色化學(xué)與分子工程研究院、中山大學(xué)儀器分析與測(cè)試中心、中山大學(xué)光電材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、歐洲同步輻射光源（ESRF）及廣東工業(yè)大學(xué)和榕江實(shí)驗(yàn)室的支持。
