香港大學領導的研究團隊成功找出了高分子材料中，分子纏結與材料特性的關係，為精準化學調控智能材料的研究提供全新方向。相關成果已刊於《美國化學學會誌》。

論文：

• https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c01062

研究背景

高分子材料的分子鏈往往互相糾纏，而不同的糾纏方式則會賦予材料截然不同的強度、柔韌性及彈性。因此，分子微觀拓撲結構對材料的宏觀性能起着關鍵性作用。然而，糾纏的高分子結構極為凌亂複雜（就如凌亂的耳機線），具體上難以控制，其在材料力學行爲中的基礎作用也一直缺乏清晰認識。

研究成果

港大化學系王宇鋒博士、歐陽灝宇博士領導的研究團隊，發現分子環內部的微小「隱藏長度」（hidden length），即分子結構內部可拉伸釋放的緩衝空間，足以大幅改變材料的物理特性，使得不同分子結構在受力時，會以不同方式儲存及釋放能。

團隊進一步以精準製備了一個統一凝膠體系，其由組成相同或相近、但拓撲不同的分子作連接基，用以比較拓撲結構的差異對材料性能的影響，這些異構連接基包括大環、柔性索烴、通過金屬配位形成的剛性索烴、扭曲 8 字形結構等。

結果發現，簡單的大環分子能有效摺疊，具有較寬裕的緩衝空間，當宏觀材料受到拉扯或撞擊時，這些大環分子會逐步展開，耗散能量，令材料韌性得以提升。反之，互鎖的索烴分子環因結構較緊密，內部緩衝空間較小，因此表現得更像微型彈簧，宏觀材料受力後可以迅速回復原狀，展現極高彈性。總而言之，材料韌性和能量耗散能力，與每種拓撲結構所允許的構象變化直接相關，而構象變化與連接基團可釋放的「隱藏長度」成正比，涉及拓撲結構依賴的配位和構象熵。此外，金屬－配體鍵主要調節的是初始連接基團的構象，而非通過鍵斷裂來耗散能量，同時還能增强凝膠網絡的恢復速率。

團隊透過識別不同分子結構的機械反應模式，建立了一套全新的材料設計框架，未來有望按需設計特別材料，例如高吸震或高速回彈材料。測試中，團隊將銅離子加入分子環後，成功將分子內的「鬆散」（隱藏長度較大）部位加以剛化，並反映在宏觀材料的性能上。團隊表示，這一技術對軟體機械人、組織工程及穿戴電子設備等領域具重要意義。

研究團隊

論文共同第一作者是港大化學系博士研究生羅天淨、鄧裕林、胡明達。共同通訊作者是王宇鋒博士、歐陽灝宇博士。

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