中山大学团队成功制备出编织晶界聚合物均孔膜

近日，中山大学化学学院教授郑治坤团队成功制备出高韧性、高弹性、高机械强度的编织晶界聚合物均孔膜，并报告了一种利用牺牲性小分子结构导向剂导向相邻晶畴形成编织晶界结构的制备方法。相关成果发表于《自然》。

编织晶界聚合物均孔膜合成示意图。中山大学供图

“该工作为晶态材料在柔性器件和分离膜方面的应用奠定了坚实的基础。”论文唯一通讯作者郑治坤对《中国科学报》表示，该研究通过构建编织晶界，建立了一种改善晶态材料脆性并同步增强其机械强度和韧性的方法，有望扩展晶体膜在分离、光电、柔性器件等领域的应用。

“做一张更高效、更可靠、更耐用的分离膜，这是我们的出发点。”在郑治坤的实验室，我们见到了附着在硅片上的弹性晶体膜。如果不是镊子夹取造成的残缺，几乎肉眼无法看见它的存在。然而，做好这样一张膜，郑治坤团队整整用了5年时间。

“理论上，膜分离是常规分离成本的十分之一。”郑治坤说。传统有机高分子材料制成的分离膜，浸到油里会被溶解或溶胀，使用全结晶的分离膜则不会。

晶界是晶体内部的缺陷结构，通常，天然和合成晶态材料是由多个单晶晶畴连接到一起，其间的大量晶界制约着材料的机械稳定性。这一影响在由单层原子或少数原子层构成的二维晶体中格外严重，一个线性晶界就将导致二维晶体薄膜的断裂。此外，如同木材刚劲则容易折断、柔软则难以承重，二维晶体的机械强度与韧性往往相互制约。

郑治坤教授指导博士生杨永航做实验。中山大学供图

经过大量的观察和实验，郑治坤团队想到了高分子材料中的一种典型结构——编织结构。如同毛衣由毛线经纬交织而成，部分高分子材料在聚合时也能相互缠绕、交错，从而拥有较强的柔性。“这种结构一般不会在晶体中存在，但为了获得这种柔性的性质，也许可以把这种结构迁移到晶体中去。”郑治坤说。

实验表明，这种全新晶界结构——编织晶界连接形成的晶态聚合物膜具有高韧性、高弹性和高机械强度的特点，其抗压性能接近铝合金和黄金。当材料受力断裂时，裂纹不扩展，且不影响裂纹附近膜的机械性能。

在这个思路的指导下，郑治坤团队在制备二维晶体聚合物时加入牺牲性导向试剂，以线性聚合物为“梭”，利用其自发缠绕、穿插的特性，将二维聚合物编织起来，形成编织晶界。待晶界形成，线性聚合物又会随排异的结晶过程自动离开。

进一步实验表明，这种全新晶界结构——编织晶界连接形成的晶态聚合物膜具有高韧性、高弹性和高机械强度的特点，其抗压性能接近铝合金和黄金。当材料受力断裂时，裂纹不扩展，且不影响裂纹附近膜的机械性能。

郑治坤表示，这为二维晶体材料在柔性器件和分离膜方面的应用奠定了基础。柔性材料可用于生产柔性显示器、柔性电池、柔性传感器等；膜分离技术则已普遍用于化工、环保、生物工程等领域。与常规膜分离相比，全结晶的聚合物膜有望以更高效率分离出更高纯度的物质。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07505-x