化学链甲的互锁结构使其异常强韧

互锁分子已经进入新维度。研究人员通过构建级联共价有机框架（COF）合成了一种“无限三维连环体”。这种化学链甲极为灵活且具有弹性，可应用于材料科学和合成生物学领域。

来自加州大学伯克利分校的奥马尔 · 亚吉（Omar Yaghi）表示：“化学家一直致力于控制原子和分子，以创造具有新特性的更大结构。这是首例三维互锁COF结构。”这种材料具有完美的晶体结构，意味着整个网络中的互锁均匀且不间断。亚吉继续说道：“在分子层面上，分子互锁可增大自由度。这种机制会耗散外部应力等能量。”因此，COF化学链甲具有极高的灵活性，但几乎牢不可破。

COF是按照砌块法制备的，最初在网状化学领域得到开发。亚吉表示，这种策略为制备复杂结构提供了一个简单的方法及可设计性。在确定化学链甲的合适分子几何结构之后，研究人员用容易相互发生反应的部分对其进行官能化——在这种特殊情况下，醛和酰胺缩合形成亚胺键。

并未参加该项研究的加州理工州立大学COF专家莱斯利 · 哈马奇（Leslie Hamachi）解释说，这是“首例具有重复链接环的互锁链甲”。尽管此前已有论文报告过链和编织线等其他互穿结构，但以前从未有人开发出“三维延展微晶”。新的拓扑结构，即缠绕材料的方式，将赋予材料不同的机械性能。

COF单元在结构平面的上方和下方互相连接，从而创造出真正的3D连接材料

此外，尽管连锁COF很复杂，但其合成过程却极为简单。哈马奇介绍道：“两个分子在液体溶剂中与催化剂混合并加热后聚集在一起。几天后，该材料就会在容器底部形成固体。其中一种前体是专门为这一反应制备的，但其他的都可以在市场上买到。”这将有助于进一步研究这类互锁结构。

亚吉认为，最大的挑战是要找到合适的条件。他说：“早在2005年，我们就在实验室发现并开发了第一批COF，此后一直在努力解决这个问题。”此外，该团队需要具有完全“包容”的部件的构建块，否则所获得的结构将无法以无限的链环模式锁定在一起。“现在，我们创造了极其复杂的结构，只需一步就可以包含数百万个互锁的多面体。”亚吉补充道。

除了在材料领域中的应用，研究人员还梦想将其应用于合成生物学领域，例如：病毒的衣壳带有互锁环，可以适应不同的载物的大小，并相应地膨胀或收缩；链甲式COF可为分子血管和给药提供替代方案。生物材料领域可能还会涌现其他应用。亚吉解释说：“COF链甲具有回弹性，将来可用于人造肌肉、皮肤和软骨。”

资料来源 Chemistry World

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本文作者费尔南多·戈莫隆·贝尔（Fernando Gomollón Bel）是英国剑桥大学科普作家和科学传播工作者