加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的化学家们用数百万个相同的、互锁的分子创造了一种新型材料，首次允许合成广泛的2D或3D结构，这些结构灵活、坚固、有弹性，就像保护中世纪骑士的锁子甲一样。

这种材料被称为无限连环烷，可以在一个化学步骤中合成。

法国化学家让-皮埃尔·索维奇(Jean-Pierre Sauvage)因合成了第一个连环烷(两个相连的环)而分享了2016年诺贝尔化学奖。这些结构是使分子结构能够移动的基础，通常被称为分子机器。

但是catenanes的化学合成仍然很困难。每增加一个环到链烷上都需要另一轮化学合成。在索维奇发明双环连环烷的24年里，化学家们最多只实现了130个相互交织的环，数量太小，没有电子显微镜是看不见的。

这种新型连环烷由加州大学伯克利分校化学教授奥马尔·亚吉(Omar Yaghi)的实验室生产，可以在三维空间中以无限数量的连接单元生产。由于各个单元机械地互锁，而不是通过化学键连接，结构可以弯曲而不断裂。

“我们认为这具有非常重要的意义，不仅是在制造不断裂的坚韧材料方面，而且还可以用于机器人、航空航天和装甲服等领域。”Yaghi说，他是詹姆斯和Neeltje Tretter化学客座教授，Kavli能源纳米科学研究所和巴斯夫加州研究联盟的联合主任，也是加州伯克利大学巴卡尔地球数字材料研究所的首席科学家。

Yaghi和他的同事，包括第一作者，加州大学伯克利分校博士后马天琼，本周在《自然合成》杂志上报道了化学过程的细节。

网状化学

使用Yaghi在30多年前发明的一种化学方法，链状烷生产的飞跃是可能的:网状化学。他将其描述为“通过强键将分子积木拼接成晶体状的扩展结构。

利用这种技术，他已经制造出了廉价的多孔材料——金属有机框架(MOFs)和共价有机框架(COFs)——这些材料在捕获、存储或分离二氧化碳、氢气和水蒸气等气体方面被证明是有用的。迄今为止，MOFs的品种已超过10万个。

为了制造mof，只需要合成正确的混合分子——与有机配体相连的金属团簇——并将它们混合在溶液中，使它们连接起来形成刚性和高度多孔的3D网络。框架内的化学基团被选择来结合和释放——取决于特定温度的分子，并拒绝其他分子。

Yaghi创造的一种MOF甚至可以从最干燥的空气中提取水分，然后在加热时释放出来，从而在沙漠中捕获水。

为了制造连环烷，Yaghi和Ma合成了一种分子，在两个相同的半部分之间交叉，由一个铜原子共价连接。这种结构，他们称之为catena-COF，让人联想到两个相连的回旋镖，在它们交叉的地方有一个铜原子。当混合时，这些分子连接起来，形成一个由连锁构件组成的多孔3D网络。构建单元是一种叫做金刚烷的多面体分子，本质上是把它们的六个臂锁在一起，形成一个扩展的框架。

Yaghi说:“这里的新之处在于，建筑单元有这些交叉，因为这些交叉，你得到了具有有趣、灵活和弹性的联锁系统。”“它们被设计成一步走到一起。这就是网状化学的力量。你不是一次只建造一个单元来建造更大的结构，而是对它们进行编程，让它们聚集在一起，自己生长。”

具有交叉的分子可以被化学改变，使最终的连环烷与特定化合物相互作用。Yaghi将这些材料(∞)称为catenanes，使用无限的符号。

他说:“我认为这是制造材料的第一步，这种材料可以弯曲，并有可能对特定的运动等刺激做出反应而变硬。”“因此，在某些方向上，它可以非常灵活，而在某些其他方向上，它可能会变得僵硬，这只是因为结构的建造方式。”

他指出，虽然这些连环烷在微观层面上向三个方向延伸，但它们可以做得足够薄，用于二维用途，比如服装。最近，一些科学家报告说，他们已经通过3D打印创建了MOFs和COFs，因此3D打印连环烷也可能成为可能，就像织布一样。

“传统上，这种互锁是通过一个多步骤、艰苦的过程来完成的，只制造有一个、两个或三个互锁环的分子，或多面体。但要制造具有惊人性能的材料，比如韧性和弹性，你需要制造数百万个这样的连锁。”他说。“传统的制作方法是行不通的。网状化学和积木法一起出现了并且找到了一种一步完成的方法。这就是这份报告的力量所在。”

这项工作得到了阿卜杜勒阿齐兹国王科技城和国防高级研究计划局(DARPA, HR001-119-S-0048)的部分支持。研究人员使用了劳伦斯伯克利国家实验室(DOE DE-AC02-05CH11231)的高级光源资源。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。