Forskare vid Westlake University har tagit fram en tvådimensionell (2D) mekaniskt sammankopplad polymer (MIP) som efterliknar medeltida ringbrynjor på molekylär nivå. Detta mikrometerskaliga 2D-material uppvisar exceptionell flexibilitet och styvhet, vilket potentiellt kan revolutionera nästa generations lätta skyddsutrustning och smarta pansarsystem.
Studien, som publiceras i tidskriften Nature Synthesis, leds av professor Zhichang Lius team vid Westlake University och rapporterar syntesen av en rent organisk kristallin 2D MIP med lång räckvidd, vilket löser den gamla avvägningen mellan flexibilitet och styvhet. Uppsatsen har titeln ”Syntes av ett kristallint tvådimensionellt [c2]daisy chain honeycomb network”.
Polymeren innehåller 3 miljarder periodiskt arrangerade [c2]daisy-kedjor per kvadratcentimeter – var och en fungerar som sammankopplade ringar – vilket gör att den kan böjas utan att gå sönder samtidigt som den bibehåller exceptionell styvhet. I en [c2]daisy chain-enhet består varje komponent av en makrocykel och en axel. När två sådana komponenter penetrerar varandra träs varje makrocykel genom den andras axel, vilket skapar två distinkta mekaniska bindningar.
MIPs står inför ett dilemma som antingen spricker under stress (styva typer) eller deformeras irreversibelt (flexibla geler). Denna nya molekylära kedjepost kombinerar båda egenskaperna och fungerar som ett skottsäkert tyg i mikroskala.
För att lösa denna paradox utarbetade Lius team en synergistisk strategi som kombinerar förorganisering av kristallisering och post-interlocking. De började med flexibla tritopiska monomerer och förorganiserade dem till ett långväga ordnat bikaknätverk och använde sedan ljus för att uppnå mekanisk sammankoppling.
”Till skillnad från de senaste rapporterna om 2D MIPs som gjorts genom att trassla in linjära polymerkedjor, bildar vårt material en platt, sammankopplad struktur med symmetriska trearmade monomerer”, förklarade professor Zhichang Liu, studiens motsvarande författare. ”Denna design, som liknar de sammankopplade ringarna i chainmail rustning, uppnår mekanisk stabilitet utan kemiska bindningar.”
Lyckliga tillfälligheter möter strategi
”Vi siktade på en molekylär bur men fick till slut en bikaka”, säger den ledande forskaren professor Liu. ”Vi designade monomerer baserade på [c2]daisy chain eftersom de erbjuder hög flexibilitet och skalbarhet – viktiga egenskaper för artificiella molekylära muskler. Dessa motiv kan ge adaptiv bindning till gästmolekyler i burar, men överraskningen var deras spontana sammansättning till ett oändligt 2D-nätverk istället för en ändlig bur.”
Liu är den första professorn vid institutionen för kemi vid Westlake University och en ansluten medlem av International Institute for Sustainability with Knotted Chiral Meta Matter (SKCM) vid Hiroshima University. Zheng-Bin Tang, doktorand i Lius laboratorium, är studiens försteförfattare.
Med hjälp av synkrotronstrålningstekniker avslöjade teamet en hierarkisk självmonteringsprocess från monomerer till dimerer, hexamerer och slutligen bikakestrukturer. Dessa lager staplas till hexagonala prismor. Den fotoinitierade tiol-en klickkemin omvandlade ytterligare pseudo-[c2]daisy-kedjan till helt sammankopplade enheter via komplementära icke-kovalenta bindningsinteraktioner.
”Den molekylära sömmen in situ bevisar att polymeren består av ömsesidigt sammankopplade monomerer”, förklarade Tang.
Lius team fann att bulkkristallerna kunde skalas i ultratunna lager- som att skala en crepe-kaka i olika lösningsmedel. Slående nog blev dessa lager 47 gånger styvare än det ursprungliga bulkmaterialet samtidigt som de behöll strukturell symmetri. ”Det trotsar alla konventioner: tunnare är inte svagare här. Tänk på det som en molekylär ringbrynja – styv men ändå flexibel”, säger Tang.
Teamet testar nu hur materialet reagerar på värme, tryck och pH-förändringar. ”Tänk dig en rustning som hårdnar vid stötar”, funderade Liu. ”Vi är många år bort, men potentialen är spännande.”
Mer information om projektet: Zheng-Bin Tang et al, Synthesis of a crystalline two-dimensional [c2]daisy chain honeycomb network, Nature Synthesis (2025). DOI: 10.1038/s44160-025-00791-x
