超分子自组装纳米管纱线

在自然界,特别是生物体系中,基于分子自组装所形成的有序结构的尺度可以从微观、介观一直跨越到宏观。从结构上来说,任何宏观尺度的生命体,都在极其微小的微观尺度上保持着高度的有序性,并且这种多层次的有序性又贯穿于整个宏观尺度。而对于超分子科学的研究来说,通过超分子自组装,使用有机小分子来构筑在整个宏观尺度上具备多层次、高度有序的微观结构的组装体,还是非常困难的事情。在国家自然科学基金委和科技部的大力支持下,中国科学院化学研究所胶体界面与化学热力学院重点实验室的刘鸣华老师课题组,在中国科学院力学研究所和中国科学院化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室的协作下,对基于非共价键的从微观有序到宏观多层次有序进行了探索,并且发现这些基于非共价键、且具有规整多层次结构的一维材料的力学性能足以媲美很多共价高分子材料。这一成果受到国际同行的高度评价,被认为是超分子自组装领域的重要突破,相关结果发表在Advanced Materials 上。

         在这一研究中,中国科学院的科研人员首先通过超分子自组装,在水溶液中将结构很简单的有机小分子(L-组氨酸头基的Bola型两亲分子)组装成超分子纳米管。然后他们再使用类似纺纱的方法,将这些直径40纳米左右的超分子纳米管纺织成直径有几个微米而长度可接近一米的纱线。这一宏观尺度的组装体由成千上万根平行排列的超分子纳米管组成,不但具有高度有序的多层次结构,更能对精细的物质传输发挥作用。比如,溶于甲苯中卟啉分子可在其中定向传递超过一个厘米的距离。力学测试表明,这些基于非共价键、且具有规整多层次结构的宏观尺度的一维材料具有优良力学性能。其平均拉伸强度为50MPa左右,而杨氏模量则能达到6.8–9.9 GPa的范围。这一强度丝毫不逊于多种共价高分子材料以及生物材料。

         尽管全部基于共价键的碳纳米管已经被成功纺织成宏观尺度的线。但是对于非常重要的一维纳米材料——自组装超分子纳米管来说,用类似纺纱的方法,将其构筑成宏观尺度的纱线,还一直被认为是极端困难的。这是因为基于自组装的超分子体系非常柔软,其力学强度往往不能使其实现自支持。而在这一研究中,中国科学院的科研人员通过使用巧妙设计的有机小分子,借助多重的氢键和疏水作用,实现了具有很高力学强度的宏观尺度的超分子自组装。