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香港科技大学唐本忠《AM》:可控宏观组装构筑新型AIE水凝胶材料
香港科技大学唐本忠《AM》:可控宏观组装构筑新型AIE水凝胶材料
8/14/2019 1:03:49 AM | 浏览:237 | 评论:0

  生命系统中包含微观组装和宏观组装。相比广泛报道的微观组装,宏观组装的研究虽然相对较少,但在众多领域均具有重大意义。美国哈佛大学 Whitesides教授等在2002年发表于Science(2002, 295, 2418)上题为“Self-Assembly at All Scales”的文章指出:“自组装的概念应适用于所有尺寸范围, 其深入研究在理论上将有利于加强对生物界结构和过程的认识与理解, 在材料制造上可以在各个尺度上实现三维结构的灵活制备, 这是传统制造所不具有的优势。此外, 自组装过程不依赖于仪器, 平行、大规模制备的高效特点也能为制造业提供新思路(Chinese J. Polym. Sci. 2018, 36, 306)”。因此,宏观组装在材料制造业尤为重要。

  新型功能材料构筑的彩色图案在诸多领域得到应用,例如嗅觉分类、气温预测、森林空间分析、物理、环境检测、信息存储等。传统的彩色图案很难发生变化,在以上等各个领域需要制备繁多的彩色图案以达到应用目的,如何制备一种材料能够提供多种变化的彩色图案是材料领域的研究难点之一。

  “魔方”因可旋转的独特结构能使其表面能变幻出多种不同的彩色图案。受此结构启发,近日,香港科技大学唐本忠院士团队和德克萨斯大学奥斯汀分校(UT Austin) Jonathan L. Sessler教授合作,利用可控宏观组装策略和AIE水凝胶材料,开发出一种具有魔方结构的AIE水凝胶材料,通过物理旋转和化学刺激的方法提供了多种变化的彩色图案。该设计的难点在于如何将AIE水凝胶进行宏观组装:凝胶基元之间,太强的作用力会使最终的组装体缺乏灵活性,而太弱的作用力又不能保证整体的稳定性。因此,强和弱的作用力必须同时存在于组装体中。基于苯甲醛和酰肼形成的动态共价键(dynamic covalent interaction),作者制备了空白水凝胶和蓝、绿、黄、橙、红、白颜色的AIE水凝胶基元。通过界面长时间(24小时)的动态共价键粘附,七种凝胶基元可宏观组装成表面具有六种荧光颜色的水凝胶立方体单元;随后,界面短时间(1小时)的动态共价键粘附可进一步宏观组装成魔方结构的AIE水凝胶。七种凝胶基元之间的强粘附保证了整体结构的稳定性,而水凝胶立方体单元之间弱的粘附提供了最终结构的灵活变动性。由于体系中粘附作用力的强弱结合,魔方AIE水凝胶的表面图案可以通过物理旋转方式得到变化。又由于AIE分子的刺激响应性,外部刺激也可以改变水凝胶的表面图案。这一研究对于如何利用可控作用力构筑功能性宏观组装材料提供了新思路。

香港科技大学唐本忠《AM》:可控宏观组装构筑新型AIE水凝胶材料

(a)魔方AIE水凝胶的宏观组装设计:水凝胶基元间界面的强弱粘附(HG-1到HG-6:蓝、绿、黄、橙、红、白AIE水凝胶)。(b)水凝胶的化学结构和卡通示意图。(c)AIE分子的化学结构。说明:Rubik’ Cube的名称和图案使用均获得Rubik品牌有限公司的许可。Credit:X. Li et al./Adv. Mater./Rubik’s Brand Ltd.

  这一成果近期以“A Functioning Macroscopic “Rubik’s Cube” Assembled via Controllable Dynamic Covalent Interactions”为名发表于《Advanced Materials》上。文章的第一作者为香港科技大学博士后吉晓帆博士黎朝博士,通讯作者为香港科技大学唐本忠院士和德克萨斯大学奥斯汀分校Jonathan L. Sessler教授。文章第一单位为香港科技大学。

  此工作发表后,《Nature》、《C&EN》、《Advanced Science News》等知名媒体对其进行了如下亮点报道。

  《Nature》亮点报道:https://www.nature.com/articles/d41586-019-02391-0

香港科技大学唐本忠《AM》:可控宏观组装构筑新型AIE水凝胶材料

  《C&EN》亮点报道:https://cen.acs.org/materials/Rubiks-cube-chemical-twist/97/web/2019/08

香港科技大学唐本忠《AM》:可控宏观组装构筑新型AIE水凝胶材料

  《Advanced Science News》亮点报道:https://www.advancedsciencenews.com/a-new-take-on-an-old-game/

香港科技大学唐本忠《AM》:可控宏观组装构筑新型AIE水凝胶材料

  论文信息:

  Xiaofan Ji#, Zhao Li#, Xiaolin Liu, Hui-QingPeng, Fengyan Song, Ji Qi, Jacky W. Y. Lam, Lingliang Long, Jonathan L.Sessler,* and Ben Zhong Tang*;A Functioning Macroscopic “Rubik’s Cube” Assembled via ControllableDynamic Covalent Interactions;Adv.Mater. 2019, 1902365,DOI:10.1002/adma.201902365.

  全文链接:

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902365

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