北京時間2025年4月15日，西湖大學理學院劉志常課題組在Nature Synthesis發表突破性成果——
他們提出“結晶預組織-機械鍵后修飾”策略，成功合成純有機晶態二維機械互鎖聚合物（MIP），該材料通過光控硫醇-烯點擊化學實現準互鎖結構的精準關環交聯，薄層材料楊氏模量是塊體的47倍，為智能材料與柔性電子器件開發開辟新路徑。
*如果你想進一步了解專業細節，可復制論文鏈接（https://doi.org/10.1038/s44160-025-00791-x）跳轉閱讀。
什么是機械互鎖聚合物？
項鏈，再具體一點，那種由一個個小環串連而成的項鏈，大家都見過吧？
這種環環相扣的結構，既保證了一條項鏈能串成型，同時又帶來極大的靈活性——如果將這樣一條項鏈垂直摞向桌面，每一個小環都是一個靈活的“關節”，長長一條項鏈很快變成了小小一垛。
晶態機械互鎖聚合物，就是分子層面的項鏈。
千萬不要小看這小小一垛，這正是機械互鎖結構的靈活性所在。
它和傳統聚合物不一樣。傳統聚合物依賴化學鍵連接，更像一條普通的繩子，將同樣結實的一條繩子垂直摞向桌面，它會盤成一圈圈的。
它也和傳統的機械互鎖聚合物不一樣。傳統的機械互鎖聚合物多采用一種叫“柔性基團”的鏈接方式，要么太靈活了，容易形成無定形的凝膠態，而非項鏈這樣規則的一環一環，也叫“長程有序”；要么引入剛性結構后，損失了靈活性，因此很難在柔性和剛性之間取得平衡。
接下來，我們再從線延伸到面。
鎖子甲，一種古代戰爭中使用的金屬鎧甲，最早出現在2000多年前的黑海北部，后來經由西域傳入中國。鎖子甲在中國古代又叫“環鎖鎧”，一個鐵環與相鄰的多個鐵環套扣在一起形如網鎖。
仿佛是用剛剛那種項鏈的結構縱橫“編織”成的“布料”。作為穿在身上戰斗的裝備，鎖子甲既能抵擋住刀劍無眼，又能帶來相對柔軟與靈活的穿著體驗。
敦煌陽關博物館館藏文物
明代的密連環鎖子軟甲
圖源：敦煌陽關景區官方網站
也就是說，在顯微鏡下放大看，劉志常課題組用分子“編織”出了一張二維鎖子甲，真正實現了“剛柔并濟”。
機械互鎖分子是非常前沿的創新性研究，科學界的代表人物是已故的Sir Fraser Stoddart教授。他發展出了一種全新的基于機械互鎖結構的人工合成分子機器，改變了我們對傳統化學鍵的理解，并因此獲得2016年諾貝爾化學獎。
而劉志常，正好見證了這一歷史時刻。
2010～2018年，劉志常從中國科學院上海有機化學研究所拿到博士學位后，在美國西北大學Sir Fraser Stoddart教授課題組展開了一段8年的博后研究，與導師共同探索新奇的分子機械互鎖結構。2018年，劉志常全職回國加入西湖大學，組建超分子有機功能組裝體實驗室，主要研究分子張力工程策略的開發與拓展。
2016年，劉志常與導師Stoddart教授在討論 什么是“結晶預組織-機械鍵后修飾”？
通過剛剛的講解，我們大概知道了，設計一種機械互鎖結構，要從“一個環”起步。
用研究人員的術語講，這個環叫“單體”。
研究人員需要先設計出一個“單體”，然后不斷復制這些“單體”，并且想辦法讓它們以某種特殊的形式聚合在一起。
我們來看下面這張圖。
劉志常課題組將它描述為一種C3對稱的三元單體。
單體中心位置是一個六邊形，每兩條邊之間延伸出一條“觸手”。所謂“三元”就是指從六邊形上的三條“觸手”，外形和螃蟹鉗子差不多，是三個Y字形。
攪拌、分離、提純……在實驗室的通風櫥里，湯政斌數不清做了多少次化學實驗。一番操作下來，他會得到一小撮白色粉末，放在容器里只有一元硬幣那么大。“這些白色粉末里，就是數不清的單體。”
下一步，他將得到的白色粉末溶解在有機溶液中，然后小心翼翼地滴進水里——試管里的水瞬間變得渾濁，又補加了幾滴有機溶液，隨著時間的推移變回清澈——似乎什么都沒有發生，但魔術已經悄悄開始。
那些被滴進水里的單體，張著“鉗子”尋找伙伴。它們自發地形成“首尾相接”的隊形，一個Y的“鉗子”會找到離它最近的單體，將自己卡位在對方其中一個Y的尾部。當每一個單位、每一個Y都找到自己的伙伴，一張“鎖子甲”就差不多成型了。
我們可以在下面這張圖中近距離看到這種“首尾相接”的互鎖結構，研究人員借用浪漫的花環編織法，把這種結構稱為“雛菊鏈”。
到這一步為止，“結晶預組織”完成了。
但我們還只能叫它“準互鎖”結構，因為你仔細看上面這張圖，此時的“鉗子”都還是張著的，它們只是各就各位了，還沒真正“鎖”起來。
這就輪到“機械鍵后修飾”出場了。
研究人員做了兩個動作，他們往試管中加入了一種叫硫醇的物質，然后給這試管打一束光。在光照刺激下，硫醇就像“膠水”一樣，把那些張開的“鉗子”封閉上。
至此，“雛菊鏈”正式成鏈，成為真正意義上的機械互鎖結構。
“這相當于在分子尺度完成了一次‘動態編織’。”劉志常說。
薄層材料楊氏模量是塊體的47倍意味著什么？
其實，湯政斌的實驗，從一開始就沒有按照課題組的預期發生。
最初，劉志常設計C3對稱的三元單體，是為了做出一個籠狀的結構。這種結構的作用顯而易見，可以按需裝載、運輸、釋放“貨物”，比如藥物。
一切按照這樣的預期往前推進。
直到湯政斌將單體滴入水中，開始等待水里發生的、看不見的那場魔術。
一天，三天，五天……他每天都在觀察，到第五天的時候，水里如預期那般出現了晶體，但與預期不同的是，這個晶體似乎過于規則了。“我們得到了一個非常規則的六棱柱，籠狀結構不是這樣的。”
如果不是籠狀，那單體在水里自發組裝成什么了？
研究人員用單晶X-射線衍射技術一探究竟，這才看清了上文描述的準互鎖“雛菊鏈”，每平方厘米的平面上周期性排列著30億個雛菊鏈單元。劉志常意識到，這同樣是一個突破性的結構——
我們知道，晶體很硬，比如生活中常見的冰糖，或者被形容成“恒久遠”的鉆石。劉志常課題組合成的結構，以孤立的柔性單體，組裝成剛性的晶態聚合物，解決了傳統機械互鎖聚合物普遍存在的剛性與柔性的悖論。
那么回到我們要講的這個知識點，研究人員發現“薄層材料楊氏模量是塊體的47倍”，是什么意思？又意味著什么？
這個知識點與偶然得到的六棱柱有關。
前面說了，劉志常實驗室成功合成了一張二維的分子“鎖子甲”。研究人員可以從六棱柱上，剝離出厚度由幾納米到幾百納米不等的薄片。同時，這些幾納米的薄片，完整地保留了母體晶塊六邊形的對稱性特征。
請你猜一猜，一張薄片和一個六棱柱，哪個更硬？
研究人員通過原子力顯微鏡測試，得到一個顛覆多數人認知的結果：薄片的楊氏模量為4.23 GPa，相比六棱柱的0.09 GPa，提升47倍。也就是說，相比六棱柱，剝離后的薄片反而更不容易發生形變。
為什么會這樣？
其實不難理解。薄層“鎖子甲”環環相扣，而六棱柱可以看成是許許多多薄層“鎖子甲”疊在一起罷了。面對刀劍攻擊，是穿戴好的“鎖子甲”更具防御力，還是隨意堆成一摞的“鎖子甲”更具防御力？
答案不言而喻。
“這也是迄今為止，我們在雛菊鏈系統中發現的最大機械強度增幅。”劉志常說。
從左至右依次為：徐立筠、湯政斌、劉志常、高賀磊
剛柔并濟的新材料，打開了劉志常課題組的想象空間。
“更妙的是，這里‘頭尾相接’的雛菊鏈是個‘活扣’。”劉志常說，就像有些項鏈、手鏈的“活扣”接口，可以通過滑動調節長度。“這就意味著，這種材料很可能是可拉伸的、有彈性的。”
課題組認為，這樣一種動態智能材料和相關合成技術的突破，有望引領下一代功能性材料的革新。
該研究得到了國家自然科學基金、浙江省“尖兵”“領雁”研發攻關計劃等資助，得到了西湖大學工學院鄭小睿研究員，安徽大學沈登科教授，廈門大學蘇紀豪教授大力支持（排名不分先后），西湖大學分子科學公共實驗平臺（ISCMS）、物質科學公共實驗平臺（ISCPS）和西湖大學高性能計算中心的支持。
（原標題：六邊形戰甲真的有！每1平方厘米3000000000片）
本文鏈接：http://www.wbe-yiqi.com/news-8-3554-0.html六邊形戰甲！科學家用分子編織剛柔并濟“鎖子甲”
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