什么是超分子化學？

超分子化學（supramolecular chemistry）最先由法國科學家J.M Lehn提出，是化學與生物學、物理學、材料科學、信息科學和環境科學等多門學科交叉構成的邊緣科學。近年來，科學家們已經開發了具有刺激響應性、柔韌性、彈性和韌性等特征的基于有機硅的超分子材料，這些特性使其成為新興領域最有希望的研究方向，如人造皮膚，軟機器人技術和先進涂料等領域。

在涂料應用中，聚合物涂料具有結合力強，可與多種基材結合，廣泛的液體排斥，自我修復能力強，在各種應用中有很大的需求。然而，目前的超分子有機硅材料缺乏令人滿意的剛度和機械強度，且尚未系統地研究它們在各種基材上的結合能力。

亮點

近期，香港城市大學姚希教授團隊開發了一種易于制造且具有罕見功能組合的自修復疏油超分子有機硅（DOSS）涂層，具有對各種烷基油的廣泛疏液性、高機械強度、多種表面的強粘附性和自修復等性能。DOSS涂層是通過多價氫鍵自組裝到涂層基材上的硅氧烷低聚物獲得上述性能，不僅可以用于能源、環境、生物醫學等領域內需要長期服務于惡劣環境的應用，而且低聚物的設計策略也可用于開發具有理想性能的多功能超分子材料。

DOSS涂層由分子工程遠螯式硅氧烷低聚物制備得到，如圖1所示，該低聚物具有獨特的三臂設計，具有三官能中心和末端的2-氨基-4-羥基-6-甲基嘧啶（UPy）基序，并且每個臂上均具有硅氧烷骨架，可以通過多價氫鍵自組裝到各種基材表面。與線性聚合物相比，該低聚物在自組裝成大規模網絡時可以提供更高的交聯密度，獨特分子構型還使它們對有機液體具有強大的排斥力，并與金屬、塑料、橡膠甚至特氟龍在內的各種基材牢固結合，這將整體提升DOSS涂層的表面和機械性能。

圖1. DOSS涂層制備機理圖。

膠粘性能

隨后，研究人員評估DOSS涂層在各種基材上的膠粘性能。研究人員將硅氧烷低聚物沉積在載玻片上，通過加熱處理以產生0.2mm的均勻薄膜；然后將另一塊基板壓在該粘合劑層上，即可在兩個基板間形成硅氧烷低聚物網絡，從而實現均勻的接觸和牢固的粘合。如圖2所示，在兩個粘合面積1cm2的基板上均可懸掛1kg的重量，并且在親水性纖維素（紙）、聚四氟乙烯、鋼板、玻璃板等基材上都能起到很好地膠粘作用。

圖2. 硅氧烷低聚物作為膠粘劑材料的實際應用圖

如圖3的定量測試表明，纖維素（紙）和所有測試的金屬基材的剪切強度均超過20MPa，這是現有商業膠水及其他已報道的膠粘劑材料所達不到的性能。這種高剪切強度可歸因于硅氧烷低聚物的高機械強度以及基板和UPy基序之間的高密度氫鍵，在各種基材上的高機械強度和強大的粘合強度更加凸顯了硅氧烷低聚物作為通用粘合劑的多功能性。

圖3. DOSS涂層與商用膠水剪切強度對比

疏油和自我修復特性

研究人員所制備的DOSS涂層還表現出優異的自修復性能。研究人員將涂層交叉切割并通過液滴在表面上的滑動來檢測涂層的疏油性。正十六烷液滴很容易從基板上的DOSS涂層表面滑下來（圖5A）；交叉切割后，正十六烷液滴被阻塞并固定在涂層的損傷區域（圖5B）；隨后去除表面上的殘留液滴，并加熱涂層15分鐘，切割線隨之消失；然后液滴又能在愈合的表面上平滑滑動（圖5C）。研究人員隨后測試30次切割愈合周期來進一步研究涂層耐久性。結果表明，重復處理不會影響涂層的形態和化學性質，這意味著該DOSS涂層具有優異的疏油耐久性和自我修復特性。

圖4. DOSS涂層疏油和自我修復特性表征

在本篇文章中，研究人員提供了一種易于使用的策略，用于快速制造具有強粘附性的自修復DOSS涂層，并系統地研究了基板上組裝的低聚物的結構。該策略提供了一種新穎而強大的途徑來制造和工程化具有所需多功能性的超分子材料，為在惡劣條件下使用的材料提供了新的研究方向，我們相信這項技術在未來將在涂料、自清潔、催化和傳熱等領域得到廣泛的應用！

原文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/5/11/eaaw5643