中山大学池振国团队：二维HOF的动态分子编织

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物质科学Physical science

2021年3月16日，中山大学的池振国教授团队及其合作者在Cell Press细胞出版社旗下期刊Chem上联合发表了题目为“Dynamic Molecular Weaving in a Two-Dimensional Hydrogen-Bonded Organic Framework”的研究论文，首次报道了一种由一维带孔长链交织而成的动态二维(2D)编织氢键有机框架(HOF)。

背景介绍

编织是最古老的传统手工艺之一，在人类的日常生活和工业生产上已经被使用了数百年。编织不仅具有各种各样的编织技法，而且编织的资源也非常丰富，从而可以生产出各种各样不同类型、功能和用途的产品。将这一传统技法应用于化学结构的构建，将有利于开发具有特殊性能的新材料。在化学上，分子编织也可以像日常生活中那样，作为一种描述由一维单元变为二维结构或三维结构的通用术语。分子编织的技法也多种多样（图1），可以使用的原材料种类繁多，从而使得分子编织产物具有无限可能。然而，目前为止，大多数分子编织材料都是采取上下缠绕方式的编织技法，且原材料多为聚合物或者低聚物，限制了分子编织材料的多样化发展。

▲图1. 不同编织技法实物图及示意图

本文要点

要点一：

研究者采用独特的编织技法（图2），开发了一例分子编织的二维HOF结构（命名为2D-90）。单晶X射线衍射结果表明，X形的有机小分子可以通过分子间O-H···O氢键组装为一维长链，即编织材料的经线或纬线，长链上带有菱形孔洞。垂直方向长链上的有机分子可以插入这些菱形孔中，进而展现出一维长链的互锁模式。最终，在单晶结构的c轴上可以观察到双轴的编织结构，经纬线夹角为90.0°。同时，在单晶结构的a轴和b轴上可以观察到非常规整的层状结构，表明这是一个二维编织结构。此外，研究者还利用TEM、HRTEM、cryo-EM、AFM和理论模拟等多种手段对其单晶结构进行了深入而全面的研究。

▲图2. 编织HOF的单晶结构研究

要点二：

在不同溶剂刺激下，该编织HOF（2D-90）可以表现出可逆的结构转变，其经线与纬线之间的夹角可以在不同角度间来回切换，并且该编织HOF表现出对醇类蒸气具有特殊的响应（图3）。在甲醇或乙醇刺激下，可以形成经纬线夹角分别为82.0°或82.5°的二维编织结构2D-82和2D-83，并且可以观察到大尺度的弹性转变和发光性能转变。

▲图3. 编织HOF的动态行为研究

小结

本文通过模拟传统编织工艺，开发出一种由一维带孔长链交织而成的动态二维编织HOF。作为一种多功能的智能平台，该动态分子编织结构在众多领域有着广阔的应用前景。这项工作不仅加深了我们对分子编织的理解，也为未来设计多功能的多孔材料提供一种途径。

论文作者团队介绍

池振国

教授

池振国，中山大学化学学院教授，博士生导师。分别在杭州大学(1991年)、中国科学院长春应用化学研究所(1994年)和中山大学(2003年)获得理学学士、硕士和博士学位。2003-2006年曾分别在复旦大学材料科学系和高丽大学化学系做博士后研究，2006年底中山大学引进副教授，2013年初晋升为教授。2015-2016年在杜伦大学化学系做访问学者。主要从事有机/聚合物光电功能材料与器件研究。发表SCI期刊论文200余篇，包括Chem Soc Rev、Chem、Angew Chem Int Ed、Nat Commun、Chem Sci、Adv Funct Mater等重要期刊论文，全部论文他引上万次。申请中国发明专利60余件。2008年起主持国家自然科学基金重点项目1项，面上项目6项。以第一完成人获得2018年度广东省自然科学奖一等奖。

赵娟

副教授

赵娟，中山大学材料科学与工程学院副教授。2015年毕业于电子科技大学，获得光学工程专业博士学位，2013–2015年在美国威斯康星大学麦迪逊分校联合培养，2016年1月入职中山大学。国家自然科学基金青年项目和面上项目负责人，主要研究方向是有机光电功能材料及其器件研究，包括有机发光二极管、钙钛矿太阳能电池、有机室温磷光材料和力刺激响应发光材料及其应用。以第一作者或通讯作者身份发表SCI论文30余篇，包括Chem. Soc. Rev.、Chem、Angew. Chem. Int. Ed.、Small、Chem. Sci.、J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Interfaces、Nanoscale、J. Mater. Chem. C等。

龚力

实验师

龚力，中山大学测试中心实验师。长期从事微纳尺度材料的表征分析工作、分析仪器的方法研究和仪器功能拓展。研究方向包括利用扫描探针显微镜及光电子能谱仪分析材料表面与界面的结构及性能，结合多种表征手段研究材料的表面物理化学特性及界面能带工程，生物医学材料研究等。曾参与完成国家自然科学基金三项和广东省自然科学基金一项，参与制定国家标准两项，主持校级教学改革项目两项。作为科研支撑共发表科技论文40多篇，曾获得2011年中国高等教学学会实验室管理工作会议优秀论文二等奖，2016年度中国分析测试协会科学技术奖（CAIA奖）一等奖，2020年度中国分析测试协会科学技术奖（CAIA奖）二等奖

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress旗下期刊Chem上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Dynamic molecular weaving in a two-dimensional hydrogen-bonded organic framework

▌论文网址：

https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(21)00097-8

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.02.017

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