南方科大蒋伟团队利用瞬态水凝胶实现分子耗散自组装
在国家自然科学基金项目（批准号：21772083, 21822104）的资助下，南方科技大学蒋伟教授团队在超分子耗散自组装材料领域取得了重要进展。相关研究成果以“Shear-induced Assembly of A Transient yet Highly Stretchable Hydrogel based on Pseudopolyrotaxanes”（多聚准轮烷基高拉伸性瞬态水凝胶的剪切诱导组装）为题，于2019年4月1日在线发表在《Nature Chemistry》杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-019-0235-8。
耗散自组装（dissipative self-assembly）通过消耗“燃料”（fuel）来维持非平衡态结构，是实现复杂生命功能的基础。耗散自组装可赋予材料自修复和自适应等智能仿生特性，具有广阔的应用前景。然而，现有的人工耗散自组装体系通常以化学反应作为燃料，机械性能通常较差。最近，蒋伟课题组构建了一类全新的超分子耗散自组装体系，制备了一种具有优异机械拉伸性能的瞬态水凝胶材料。
在前期研究中，作者设计并合成了一类具有仿生结构特色的大环主体分子——内修饰分子管，并发现这类大环主体能够在水中键合极性分子。在本研究中，该类大环主体分子与聚乙二醇键合形成一个像项链一样的多聚准轮烷结构。分子管上的羧酸根又能与Cu2+形成配位，将多聚准轮烷交联起来，形成水凝胶。然而，这个水凝胶不稳定，会逐渐转化为溶胶。摇动产生的剪切力可以将溶胶再次转化为凝胶。静置后，凝胶又会转化成溶胶。该过程可以循环多次。这是一个由剪切力驱动的超分子耗散自组装体系。凝胶处于动力学非平衡态，而溶胶则处于热力学平衡态。机理研究表明，剪切力诱导Cu2+从链内配位转化为链间配位（见图），从而形成水凝胶；静置时，配位方式则由链间缓慢转化为链内，从而变成溶胶。该瞬态水凝胶表现出优异的拉伸性，可拉伸至其初始长度的30倍。
这项研究开发了兼具剪切增稠特性与高拉伸性的水凝胶材料，展示了耗散自组装在材料科学领域的应用潜力，为制备机械响应型功能材料提供了新的思路。
图. 剪切力诱导的溶胶/凝胶转化及其分子机制
