Advanced Materials:基于配位键的自修复高分子材料

自修复能力是生命体系的一项重要属性,它使得生物能够自发地修复受伤的部位。通过掺入修复试剂、引入可逆的共价键或非共价相互作用,研究者们已经合成出很多自修复材料。在非共价相互作用中,配位键已经被证明为是一种行之有效的构建高效自修复聚合物的方法。而且在金属离子、配体以及动态配位键的存在下,自修复高分子还可以展现出其他的性质,如介电性、发光性、磁性、催化、刺激响应和形状记忆效应等等。

南京大学配位化学国家重点实验室李承辉和左景林老师应邀撰写了题为“Self-Healing Polymers Based on Coordination Bonds”的综述论文,梳理总结了最近在以配位键构建自修复材料领域的研究进展。 配位键在构建自修复材料方面具有多方面的优势。首先,配位键的形成往往是焓减熵增的热力学自发过程,有利于制备无需任何外界刺激就能修复的材料;其次,配位键的键能容易调节,我们可以通过软硬酸碱理论选择合适的金属离子与配体来获得弱的动态配位键从而使材料获得出色的修复性质;另外,配合物可兼具热力学稳定性和动力学活泼性,有助于设计合成高强度的自修复性质的材料,解决材料机械力学强度与自修复性质之间的矛盾问题;最后,配位键的引入还可以给材料带来介电性、发光性、磁性、催化性质以及形状记忆效应等功能,有利于得到功能化的自修复材料。

在常用于构建自修复材料的几类配体中,目前研究最多、表征最完善的体系当属受贻贝启发而发现的金属-邻苯二酚(Catechol)以及金属-组氨酸(histidine)配位键,利用这些配位键人们已经得到了大量力学强度高、自修复性质优良、粘附性好的高分子材料并应用于涂料、胶粘剂等领域。2011年,Rowan报道了首例基于三联吡啶配体的自修复材料,之后吡啶类配体就成为设计自修复材料的热门选择。考虑到三齿配体联吡啶键能太高导致修复时需要外界刺激,人们使用双齿和单齿以及混合配体来降低自修复所需要的温度。另外,羧酸配体、席夫碱配体、膦配体、硫配体等也逐渐被人们广泛使用。

为了实现它们在日程生活和生产中的应用,设计制备进一步功能化的这类自修复材料非常关键。目前已报道的功能包括发光、介电、刺激响应、形状记忆、软驱动器和催化活性等,这些功能可能来源于金属离子、配体,或者配位键的环境敏感性质。因此,如何得到各种功能化的自修复材料,并且实现自修复功能与其它功能的耦合(即材料的受损与修复伴随着功能的丧失与恢复),将是自修复材料未来的重要研究方向之一。

该篇文章的作者是南京大学配位化学国家重点实验室的李承辉副教授和左景林教授,论文得到国家自然科学基金(21631006, 21271099)和江苏省自然科学基金(BK20170016)的资助,以“Self‐Healing Polymers Based on Coordination Bonds”为题,在线发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201903762)上。