Advanced Science:宏观超分子组装制备多材质三维有序结构

柔性可穿戴电子设备、高灵敏性微传感器、组织工程支架等高端制造领域,迫切需要发展制备多材料、多功能三维有序结构的新方法。然而,现有金属、高分子、生物活性材料等加工设备和工艺差异显著,异质材料间的高效界面结合困难,难以将物理化学性质差别显著的多种材料集成到同一加工过程中。因此,如何在有限的空间内集成多种材料体系,制备三维有序结构,成为了材料加工领域的一个挑战。为此,北京化工大学成梦娇副教授等人采用宏观超分子组装(MSA)的方法,通过表面柔性涂层促进异质材料界面结合,进而基于“模块化组装”的思想,结合外场操控自下而上地构筑了多材质的三维有序结构。相关结果发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.202002025)上。

宏观超分子组装,是指在十微米以上的构筑基元表面,通过表面化学修饰引入超分子识别基团,再利用界面组装构筑超分子材料的过程,它是一种制备体相超分子材料的新方法。由于宏观表面之间的分子间相互作用受到表面粗糙度、官能团分布等限制。目前所报道的宏观超分子组装研究大多局限于表面流动性强的凝胶软材料,刚性材料难以实现组装,异质材料的共组装和可控结合困难。为此,北京化工大学成梦娇副教授等人提出柔性间隔层的概念,即在石英、金属、塑料、橡胶等材料的表面,引入具有高流动特性的复合聚电解质多层膜,降低表面粗糙度、提高表面分子活动能力,促进刚性材料的界面分子间相互作用,实现了弹性体(PU)、树脂(PE、PP、PS和ABS)、金属铝、石英玻璃等材料体系的组装和交叉共组装。这一策略具有良好的普适性,极大地拓宽了超分子组装的适用材料范畴。进而,他们在金属钛、PDMS和PET等构筑基元的制备过程中引入磁响应性物质,将宏观超分子组装与磁场操控结合,以实现外场操控,并通过表面修饰的柔性间隔层与主客体分子间作用实现结构稳定,构建了含有多种异质材料的三维有序结构,面向组织工程支架制备的应用。

宏观超分子组装的基本原理契合增材制造“离散-堆积”的基本思想,不仅为异质材料的结合提供了分子层面的设计原则,而且为构建三维有序结构提供了程序化设计的可行性,有望发展成为增材制造的新方法,满足高端制造领域对多材料、多功能有序结构的需求。