奈米鎖子甲亮相：兼具輕量與堅韌防護的創新材料

美國西北大學（Northwestern University）的研究人員在材料科學領域取得了突破性的進展。西北大學創立於1851年，是一所位於美國伊利諾州埃文斯頓的私立研究型大學，其麥考密克工程及應用科學學院、凱洛格管理學院、芬伯格醫學院、普利茨克法學院、比嫩音樂學院和梅迪爾新聞學院都頗負盛名。研究人員研發出了一種二維的、機械互鎖的聚合物，它展現出如同鎖子甲般強健且靈活的特性。

這種嶄新的材料，其機械鍵的密度達到有史以來最高紀錄，有望在輕量型防彈衣以及其他高需求領域帶來革命性的應用。

由西北大學主導的研究團隊完成了一項了不起的化學成就，成功製造出首個二維（2D）機械互鎖材料。這個奈米尺度的創新成果，猶如鎖子甲相互扣合的鏈環，兼具卓越的靈活性和強度。經過進一步精煉，它在輕量、高效能防彈衣以及其他需要材料既堅韌又靈活的高要求用途方面，展現出巨大的潛力。

今日（1月16日）發表在《科學》（Science）期刊上的這項研究，在該領域創下了多項重要的首次紀錄。它不僅是首個二維機械互鎖聚合物，而且每平方釐米擁有高達100萬億個機械鍵，密度前所未有的高。研究團隊運用了一種嶄新、高效且可擴充套件的聚合工藝，為大規模生產鋪平了道路。

研究的通訊作者、西北大學的威廉·迪希特爾（William Dichtel）表示：「我們製造出了一種全新的聚合物結構。它和鎖子甲很相似，不容易撕裂，因為每個機械鍵都有一定的活動空間可以滑動。如果你拉扯它，它能將施加的力分散到多個方向。要是想把它撕裂，得在很多不同的地方同時破壞才行。我們仍在持續探索它的特性，未來可能會研究好多年。」

迪希特爾是文理學院溫伯格學院（Weinberg College of Arts and Sciences）的羅伯特·L·萊辛格化學教授（Robert L. Letsinger Professor of Chemistry），也是國際奈米技術研究所（International Institute of Nanotechnology，IIN）和保拉·M·特里嫩斯可持續性與能源研究所（Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy）的成員。該研究的第一作者是迪希特爾實驗室的博士生麥迪遜·巴爾多（Madison Bardot），她也是IIN瑞安研究員（IIN Ryan Fellow） 。

多年來，研究人員一直試圖用聚合物開發機械互鎖分子，但發現要促使聚合物形成機械鍵幾乎是不可能的事。為了克服這個挑戰，迪希特爾的團隊採取了全新的方法。他們從X形單體（聚合物的構建單元）入手，將它們排列成特定的、高度有序的晶體結構。接著，使這些晶體與另一種分子發生反應，在晶體內部的分子間形成鍵。

迪希特爾稱：「我要大大讚揚麥迪遜，是她想出了形成這種機械互鎖聚合物的概念。這是一個高風險、高回報的想法，讓我們不得不重新思考在分子晶體中哪些反應是可行的。」

最終得到的晶體由一層又一層的二維互鎖聚合物薄片組成。在聚合物薄片內部，X形單體的末端與其他X形單體的末端相連，然後更多的單體穿過其間的空隙。儘管其結構看似剛硬，但這種聚合物卻出奇地靈活。迪希特爾的團隊還發現，將聚合物溶於溶液中，會使互鎖單體的各層相互剝離。

迪希特爾說：「聚合物形成後，維持其結構的作用力並不多。所以，當我們把它放入溶劑中，晶體會溶解，但每一層二維薄片仍能保持完整。我們可以對這些單獨的薄片進行操控。」

為了在奈米尺度下研究其結構，由戴維·穆勒（David Muller）教授帶領的康奈爾大學合作團隊，運用了最前沿的電子顯微鏡技術。影象顯示出聚合物的高結晶度，證實了其互鎖結構，也顯示出它的高靈活性。

迪希特爾的團隊還發現，這種新材料可以大量生產。以往含有機械鍵的聚合物通常只能以極少量的方式製備，而且所使用的方法不太可能擴大規模。相比之下，迪希特爾的團隊已經製造出了半公斤的新材料，並認為隨著最具前景的應用領域浮現，生產更多的量也是可行的。

受到這種材料固有強度的啟發，由馬修·貝克爾（Matthew Becker）教授帶領的杜克大學合作團隊，將其新增到Ultem材料中。Ultem與凱夫拉（Kevlar）同屬一類，是一種極其強韌的材料，能承受極端溫度以及酸和苛性化學物質的侵蝕。研究人員研發出了一種複合材料，其中97.5%是Ultem纖維，僅2.5%是這種二維聚合物。就這麼小的比例，卻顯著提高了Ultem的整體強度和韌性。

迪希特爾設想，他的團隊研發的新型聚合物未來可能會成為輕量型防彈衣和防彈織物的特殊材料。迪希特爾表示：「我們還需要做更多分析，但可以肯定的是，它提高了這些複合材料的強度。我們測量的幾乎每個效能在某方面都很出色。」

論文作者們將這篇論文獻給西北大學前化學家弗雷澤·斯托達特爵士（Sir Fraser Stoddart）。他在20世紀80年代引入了機械鍵的概念，最終將這些鍵發展成能以可控方式進行切換、旋轉、收縮和擴充套件的分子機器。斯托達特於上月過世，他因這項工作獲得了2016年的諾貝爾化學獎。

迪希特爾曾在加州大學洛杉磯分校（UCLA）斯托達特的實驗室擔任博士後研究員，他說：「分子不會自己相互穿過，所以弗雷澤想出了巧妙的方法來為互鎖結構製作模板。但即便如此，這些方法在像聚合物這樣的大分子中仍不夠實用。在我們目前的研究中，分子在晶體中被牢牢固定在適當位置，從而為每個分子周圍的機械鍵形成提供了模板。」

迪希特爾還提到：「所以，機械鍵在西北大學有著深厚的淵源，我們很興奮能以從未嘗試過的方式探索它們的可能性。」

參考文獻：《機械互鎖的二維聚合物》，作者麥迪遜·I·巴爾多、科迪·W·韋裡希、施子霄、邁克爾·特拉克斯勒、夏洛特·L·斯特恩、崔金磊、戴維·A·穆勒、馬修·L·貝克爾和威廉·R·迪希特爾，發表於2025年1月16日的《科學》期刊。DOI：10.1126/science.ads4968

該研究主要由美國國防高等研究計劃署（Defense Advanced Research Projects Agency，合同編號HR00112320041）以及西北大學的國際奈米技術研究所（IIN瑞安研究員計劃）資助。