互鎖配位聚合物構(gòu)建的化學(xué)鏈甲

互鎖分子已經(jīng)進(jìn)入新維度。研究人員通過構(gòu)建級聯(lián)共價有機(jī)框架（COF）合成了一種“無限三維連環(huán)體”。這種化學(xué)鏈甲極為靈活且具有彈性，可應(yīng)用于材料科學(xué)和合成生物學(xué)領(lǐng)域。

來自加州大學(xué)伯克利分校的奧馬爾 · 亞吉（Omar Yaghi）表示：“化學(xué)家一直致力于控制原子和分子，以創(chuàng)造具有新特性的更大結(jié)構(gòu)。這是首例三維互鎖COF結(jié)構(gòu)。”這種材料具有完美的晶體結(jié)構(gòu)，意味著整個網(wǎng)絡(luò)中的互鎖均勻且不間斷。亞吉繼續(xù)說道：“在分子層面上，分子互鎖可增大自由度。這種機(jī)制會耗散外部應(yīng)力等能量?！币虼?，COF化學(xué)鏈甲具有極高的靈活性，但幾乎牢不可破。

COF是按照砌塊法制備的，最初在網(wǎng)狀化學(xué)領(lǐng)域得到開發(fā)。亞吉表示，這種策略為制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供了一個簡單的方法及可設(shè)計性。在確定化學(xué)鏈甲的合適分子幾何結(jié)構(gòu)之后，研究人員用容易相互發(fā)生反應(yīng)的部分對其進(jìn)行官能化——在這種特殊情況下，醛和酰胺縮合形成亞胺鍵。

并未參加該項研究的加州理工州立大學(xué)COF專家萊斯利 · 哈馬奇（Leslie Hamachi）解釋說，這是“首例具有重復(fù)鏈接環(huán)的互鎖鏈甲”。盡管此前已有論文報告過鏈和編織線等其他互穿結(jié)構(gòu)，但以前從未有人開發(fā)出“三維延展微晶”。新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即纏繞材料的方式，將賦予材料不同的機(jī)械性能。

此外，盡管連鎖COF很復(fù)雜，但其合成過程卻極為簡單。哈馬奇介紹道：“兩個分子在液體溶劑中與催化劑混合并加熱后聚集在一起。幾天后，該材料就會在容器底部形成固體。其中一種前體是專門為這一反應(yīng)制備的，但其他的都可以在市場上買到。”這將有助于進(jìn)一步研究這類互鎖結(jié)構(gòu)。

亞吉認(rèn)為，最大的挑戰(zhàn)是要找到合適的條件。他說：“早在2005年，我們就在實驗室發(fā)現(xiàn)并開發(fā)了第一批COF，此后一直在努力解決這個問題?！贝送?，該團(tuán)隊需要具有完全“包容”的部件的構(gòu)建塊，否則所獲得的結(jié)構(gòu)將無法以無限的鏈環(huán)模式鎖定在一起?！艾F(xiàn)在，我們創(chuàng)造了極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，只需一步就可以包含數(shù)百萬個互鎖的多面體?！眮喖a(bǔ)充道。

除了在材料領(lǐng)域中的應(yīng)用，研究人員還夢想將其應(yīng)用于合成生物學(xué)領(lǐng)域，例如：病毒的衣殼帶有互鎖環(huán)，可以適應(yīng)不同的載物的大小，并相應(yīng)地膨脹或收縮；鏈甲式COF可為分子血管和給藥提供替代方案。生物材料領(lǐng)域可能還會涌現(xiàn)其他應(yīng)用。亞吉解釋說：“COF鏈甲具有回彈性，將來可用于人造肌肉、皮膚和軟骨?！?/p>

資料來源 Chemistry World

本文作者費爾南多·戈莫隆·貝爾（Fernando Gomollón Bel）是英國劍橋大學(xué)科普作家和科學(xué)傳播工作者