西南科大在環(huán)境友好材料領(lǐng)域獲重大突破

近日，我校環(huán)境友好能源材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌）常冠軍副研究員在《Advanced Materials》上發(fā)表題為“High-Performance PH-switchable Supramolecular Thermosets via Cation–π Interactions”的論文?！禔dvanced Materials》是材料與化學(xué)大領(lǐng)域的國際頂級(jí)期刊，在國際材料領(lǐng)域享譽(yù)盛名，截至發(fā)稿時(shí)間即時(shí)影響因子為21.106。該期刊以通訊文章接收發(fā)表材料和化學(xué)領(lǐng)域相關(guān)的頂尖科研成果。這是我校首次在該期刊上以第一通訊單位發(fā)表高水平科研成果，標(biāo)志著我校的環(huán)境和能源材料研究水平達(dá)到了一個(gè)新高度。

     剛性骨架高性能聚合物具有良好的熱性能和機(jī)械性能，被廣泛應(yīng)用在航空航天和微電子等高新技術(shù)領(lǐng)域。近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)高性能聚合物材料已不再滿足人們更為苛刻的應(yīng)用需求，例如更加優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度等。眾所周知，通過聚合物分子鏈間交聯(lián)的方式可以進(jìn)一步增強(qiáng)聚合物主體穩(wěn)定性，提高高性能聚合物的綜合性能，從而獲得超高性能聚合物材料。然而，交聯(lián)后的聚合物很難再循環(huán)利用，不能重鑄，廢棄材料只能采用燃燒和廢渣填埋法處理。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)和資源合理再利用要求的不斷提高，這種燃燒和廢渣填埋的方法勢(shì)必受到限制。因此，開拓一種新的設(shè)計(jì)理念和策略使得目標(biāo)聚合物形成可控的剛性骨架交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而滿足人們對(duì)材料高性能的要求。另外，人們希望這種交聯(lián)結(jié)構(gòu)可在特定條件下解除，成功實(shí)現(xiàn)聚合物材料的重鑄和循環(huán)利用。隨著人們對(duì)高性能乃至超高性能聚合物需求量的不斷擴(kuò)大，高性能交聯(lián)聚合物材料的回收和循環(huán)再利用將是我們共同面臨的難題。因此，開發(fā)簡單有效且具多樣性的高性能交聯(lián)聚合物及其循環(huán)利用方式是目前急需解決的科學(xué)問題。

陽離子-π作用被認(rèn)為是一種新型的非共價(jià)相互作用，其作用力強(qiáng)，并廣泛存在于化學(xué)和生物體系中，在分子識(shí)別、蛋白質(zhì)和核酸的結(jié)構(gòu)與功能等許多方面起著十分重要的作用。陽離子-π作用是一種存在于陽離子和芳香性體系之間的相互作用?？v覽人們對(duì)分子間陽離子-π 相互作用的研究，大多集中在對(duì)小分子的實(shí)驗(yàn)和理論研究，然而在對(duì)高分子聚合物領(lǐng)域的應(yīng)用少有涉及。聚合物屬于“軟物質(zhì)”，且具有較長的分子鏈，因此聚合物鏈之間陽離子-π相互作用遠(yuǎn)大于共價(jià)鍵相互作用，這種非共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步增大聚合物鏈之間的分子間作用力，提高了聚合物材料綜合性能。同時(shí)，我們也注意到陽離子-π這種非共價(jià)相互作用能夠在某種外界刺激的情況下解除，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)原始底物的還原。常冠軍在High-Performance PH-switchable Supramolecular Thermosets via Cation–π Interactions”中，依據(jù)聚合物材料的“軟物質(zhì)”特性，通過陽離子-π相互作用獲得高性能聚合物的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，滿足人們對(duì)高性能聚合物高熱穩(wěn)定性和高強(qiáng)度的需求，這種物理的交聯(lián)方式可在外界“刺激”條件下解除，從而實(shí)現(xiàn)聚合物的回收和循環(huán)利用。這類研究的深入開展能夠?yàn)楦咝阅芙宦?lián)聚合物的構(gòu)筑與再生提供新的途徑和新的設(shè)計(jì)理念，發(fā)展一類用傳統(tǒng)方法難以獲得的結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)異、可再生修復(fù)的交聯(lián)高性能材料。

    高性能聚合物物理特性的無損探測極為重要，但其實(shí)現(xiàn)也非常困難，是高分子科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)。常冠軍研究小組提出的通過熒光檢測聚合物材料力學(xué)性能的概念，建立了熒光與力學(xué)性能之間的關(guān)系方程，實(shí)現(xiàn)了熒光對(duì)力學(xué)性能的無損探測。這種非傳統(tǒng)的方法對(duì)于新材料的開發(fā)將起到極大的促進(jìn)作用。

這次發(fā)表在《Advanced Materials》上的研究成果標(biāo)志著環(huán)境友好能源材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌）在環(huán)境能源領(lǐng)域開創(chuàng)并即將引領(lǐng)新的科研方向。

據(jù)悉，該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委《聚合物鏈間陽離子-π相互作用的構(gòu)筑與作用機(jī)理的研究》（11447215）、《金屬配位交聯(lián)高性能聚合物的構(gòu)筑及其絡(luò)合/解離機(jī)理研究》（21504073）、四川省科技廳杰出青年培育計(jì)劃（2016JQ0055）、西南科技大學(xué)龍山學(xué)術(shù)人才科研支持計(jì)劃和國家留學(xué)基金委的經(jīng)費(fèi)支持。

 論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704234/full

（吳安輝  編輯）  

常冠軍簡介：

博士，副研究員，環(huán)境友好能源材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌）副主任，美國常春藤高校-賓夕法尼亞大學(xué)訪問學(xué)者，西南科技大學(xué)龍山學(xué)術(shù)人才科研支持計(jì)劃拔尖人才。從事功能高分子的分子設(shè)計(jì)和氣體的富集與分離研究工作。