“多孔人工肌肉”实现重物提拉和纸人仰卧起坐

来源：X一MOL资讯

共价有机框架 (COFs) 材料是一种有规则结构的、化学稳定的、高孔隙率和孔径可调控的晶态材料，在催化、气体存储与分离、药物传输、超级电容器、功能器件以及膜分离等领域具有潜在的应用价值。目前报道的COFs主要以微晶状态存在，难于形成大晶体或连续的膜，这限制了COF材料的进一步应用。目前为止，只有界面聚合、真空抽滤、基底生长以及研磨铺膜的方法被应用在COF膜的制备上，但是所合成的COF膜通常具有较差的机械性能。因此需要开发新的合成策略来制备具有高结晶度、高机械加工性能以及高孔隙率的COF膜，这对于推动COFs材料的进一步应用具有重要意义。

图1. (a) 一种利用聚乙二醇链取代COF-42中的−OCH2CH3制备polyCOF材料的合成策略。(b) 通过三组分聚合制备自支撑的polyCOF膜的一种新方法。

近期，南开大学化学学院张振杰研究员与药物化学生物学国家重点实验室陈瑶研究员、南佛罗里达大学马胜前教授合作，首次利用线性高分子作为COFs的构筑单体，通过室温界面聚合成功合成了一种新型的高分子-共价有机框架 (polyCOFs) 膜 (图1)。该膜材料兼具COFs和高分子的优点，例如同时具有较高的结晶度和化学稳定性。重要的是，得益于线性高分子的柔性和可加工性的优点，polyCOFs可以自发的形成无缺陷的、自支撑的、高机械性能的连续膜(图2)。

图2. (a) polyCOF膜从制备到收集的全过程；(b) COF-42和poly2/6COF-42的机械性能对比。

研究发现polyCOF膜展示了有趣的、可逆的蒸汽刺激机械响应行为。利用polyCOF膜制备的人工肌肉材料，在蒸气的刺激下可以做复杂的仿生运动比如：举重和仰卧起坐等。这一研究成功地把一维无定型高分子和二维高结晶性COFs材料结合起来，为COFs材料发展提供了一种新的方向 (图3)。

图3. (a) poly2/6COF-42模拟人工手臂提升重物的照片；(b)利用poly2/6COF-42膜制成的锡纸娃娃，暴露在乙醇蒸气或空气中可以做一系列复杂的运动(例如:仰卧起坐)。

该工作最近发表在ACS Cent. Sci.。文章第一作者为南开大学化学学院的博士生王志方。通讯作者是南开大学化学学院的张振杰研究员、药学院的陈瑶研究员和南佛罗里达大学的马胜前教授。该工作被美国化学会选为ACS Weekly PressPac和ACS Headline Science重点推介。

该研究成果得到了国家青年千人计划、国家自然科学基金委、南开大学以及化学学院的资助。

PolyCOFs: A New Class of Freestanding Responsive Covalent Organic Framework Membranes with High Mechanical Performance

Zhifang Wang, Qi Yu, Yubo Huang, Hongde An, Yu Zhao, Yifan Feng, Xia Li, Xinlei Shi, Jiajie Liang, Fusheng Pan, Peng Cheng, Yao Chen, Shengqian Ma, Zhenjie Zhang

ACS Cent. Sci., 2019, DOI: 10.1021/acscentsci.9b00212

导师介绍

张振杰课题组围绕晶态材料，以物质分离纯化、智能响应为导向开展工作。课题组自2016年7月成立以为，发表通讯作者文章15篇，包括J. Am. Chem. Soc.(1篇)、Angew. Chem. Int. Ed.（4篇）、ACS Cent. Sci.（1篇）、Coord. Chem. Rev.（1篇）等。