生物超分子的存在强调了多组分的协同作用，这有助于构建生物分子的性和高性能。蛋白质等生物超分子性质通常与氨基酸序列有关，这些氨基酸序列通过共价和超分子相互作用构架生物分子交联。例如，胚蛋白解旋酶和贻贝足蛋白中，阳离子氨基酸的位置促进了细胞器和海洋粘合剂中生物分子的聚集和交联。同样，聚合物合成中的交联也对等级结构、杂化界面和整体性质起着关键作用。序列交联技术的缺乏限制了构建具有程序特性的聚合物复合材料的可能性。人们对控制聚合物主链上不同重复单元的序列有很大的兴趣，但是如何设计局部基团化序列，来催化温和条件下的聚合物交联反应一直是个难题。

聚合物交联对于制备和巩固层状纳米和微观结构、杂化界面和整体组装至关重要。基于此，华中科技大学化学与化工学院能量转换与储能材料化学教育部实验室的赵强教授团队展示了在聚离子液体(PILs)的重复单元中编码的“阳离子-亚甲基-腈”(CMN)功能序列，该序列使得氰基可以在温和条件下环化。

图1. 促进PILs交联的“阳离子-甲基-腈”(CMN)序列的设计：(a) 在离子液体单体及其聚合物中编码CMN序列；(b)从具有序列的PCMVimNTf₂（图3a中的P3）制备独立的纳米膜；(c, d) 漂浮在水上的纳米膜和空气中的纳米膜的光学显微照片；(e) 纳米膜表面的原子力显微镜高度图像；（f） 膜厚与PCMVimNTf₂铸膜液浓度的关系

（图片来源：Materials Horizons）

通过温和条件下氨气（0.2 bar, 20 °C）处理PILs，CMN序列促进的新反应很容易将原先的材料转化为独立的纳米膜（厚度约19 nm）和纳米复合膜。

图2. 序列促进PILs交联的表征：(a) NH₃处理过的PCMVimNTf₂纳米膜在DMSO、DMF、EtOH、乙腈和水（pH=12和2）中浸泡24小时，一小瓶显示未经处理的PCMVimNTf₂溶解在DMSO中；(b) 原始PCMVimNTf₂、NH₃处理的纳米膜和DMSO处理的纳米膜的元素组成。NH₃处理前后PCMVimNTf₂的(c, d) FT-IR和固态¹³C NMR谱；(e) NH₃处理过的PCMVimNTf₂纳米膜的XPS分析

（图片来源：Materials Horizons）

图3. “阳离子-甲基-腈”序列的验证。(a) 设计了7种聚合物（P1～P7），并用NH₃蒸气（0.2 bar，20 °0，10 h）处理。“No”表示经NH₃处理的膜可溶于DMSO；“Yes”表示经NH₃处理后形成的耐溶剂膜；(b) 原始PCMVimNTf₂聚合物、NH₃处理膜、NH₃蒸气和水热处理（pH=10、80 °C、72 h）的应力-应变曲线；(c PCMVimNTf₂纳米膜的扭曲和形状恢复；(d, e)由P4和P5制成的经NH₃处理的膜的照片。

（图片来源：Materials Horizons）

这种材料在各种溶剂、pH值甚至沸水中都很稳定，表现出的机械强度和太阳能热脱盐性能。该序列易于合成，适用于其它共聚物，兼容咪唑、吡啶、三唑等多种阳离子。

图4. 序列促进交联的PILs纳米复合材料。(a) PCMVimNTf₂/CNT/UiO-66-COOH纳米复合膜的制备。PIL/UiO-66-COOH/CNT质量比为25:66:9；(b, c) NH₃处理和未处理纳米复合膜在沸水中浸泡24小时后的光学照片；(d, e) 纳米复合膜在沸水处理前后的表面形貌

（图片来源：Materials Horizons）

图5. 序列促进纳米复合膜的太阳能蒸汽性能。(a) 不同材料在1次太阳光照射下的水分蒸发率；(b)经NH₃处理的纳米复合膜（直径4 cm）在一次太阳光照射下对水的太阳热蒸发性能的稳定性；(c)复合膜的蒸发率与的碳基复合材料的比较；(d) PCMVimNTf₂/CNT/UiO-66-COOH膜处理海水、河水、油/水和废水时的水分蒸发

（图片来源：Materials Horizons）

综上，文章提出了一种新的聚合物交联的概念：序列编码聚合交联，可以实现预定方式和位点的交联，该可编程交联聚合物可用于可持续能源和水的应用。

原文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/mh/d0mh00795a

原文作者：

Zhiyue Dong, Chongrui Zhang, Huawen Peng, Jiang Gong, Hong Wang, Qiang Zhao and Jiayin Yuan

DOI: 10.1039/D0MH00795A

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