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阿爾伯塔大學曾宏波教授課題組《Chem. Rev.》綜述:聚合物體系中的非共價作用力
2022-09-08  來源:高分子科技

  與常規共價鍵相比,非共價作用力具有多種優勢,如作用力大小易于調控,具有可逆性和環境適應性。在很多生物體系和化學過程中,非共價作用力都起到了非常重要的作用,比如參與分子識別,主導分子簇的形成,以及促進大分子復雜結構的構建。在聚合物體系中,非共價作用力廣泛存在于分子內和分子間,不僅參與控制聚合物鏈的形態,并且常作為識別基團主導分子自組裝和超分子結構的形成。


  近日,加拿大阿爾伯塔大學阿爾伯塔大學曾宏波教授團隊在化學材料綜述期刊Chemical Reviews 上發表題為“Probing and Manipulating Noncovalent Interactions in Functional Polymeric Systems” 的文章,系統介紹了近年來關于聚合物體系中非共價作用力的研究進展,主要包括兩個方面:第一,從納米機械性能的角度對非共價作用力進行定量分析并探究其作用機理;第二,將微觀的分子作用機理與宏觀的聚合物性能進行結合,闡述如何通過調控非共價作用力構建功能性高分子材料。


圖1聚合物體系中的典型非共價作用力。


  非共價作用力的定量測量對揭示其作用機理有著決定性的作用。分子力測量技術(如表面力儀、原子力顯微鏡)的發展可以使我們直接從微米、納米、甚至分子尺度上測定目標作用力的力曲線,從而得到其作用大小、范圍、和動力學等信息。同時,相關材料的納米機械性能,如彈性模量、形變、粘附力、摩擦力等也可以被直接測定。這些技術已經被廣泛用于探究聚合物體系中的多種非共價作用,包括范德華力、靜電力、金屬配位、氫鍵、π-π作用、陽離子-π作用、陰離子-π作用、以及疏水作用等。


圖2代表性分子力測量技術。(a)表面力儀,(b)原子力顯微鏡,(c)基于原子力顯微鏡的單分子力譜。


  對這些非共價作用力的微觀測量和機理研究可以直接應用于指導設計基于非共價鍵的功能性高分子材料。通過調控分子大小和形態、功能性基團的種類和數量、以及環境因素,聚合物中的非共價作用力可以被精確地控制,從而獲得理想的物理化學性質(如環境響應、自修復、黏附等)。目前,對非共價作用力的操控已經被用于制備從微觀到宏觀的多種聚合物材料,包括膠體、薄膜、涂層、凝聚體、水凝膠等,在生物醫學、能源、電子信息、環境工程等研究領域得到了廣泛應用。


  作者同時指出,在分子力檢測方面,對非共價作用力的定量測量大部分集中于單一作用,對不同非共價鍵的協調作用研究還處于初級階段。由于系統的復雜性,需要實驗與理論計算相結合。同時,在材料的設計方面,如何模仿生物系統對非共價作用力進行精確控制也是未來非常重要的研究方向。本文通訊作者為曾宏波教授,陳靜思博士和彭瓊瑤博士為文章共同第一作者。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemrev.2c00215

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(責任編輯:xu)
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