仪器新应用，科学家利用多种表征揭示新型纯有机二维编织聚合物材料！

【科学背景】

二维材料自2004年通过机械剥离法从石墨中剥离出石墨烯以来，因其独特的超薄片状形态和极高的比表面积，引起了广泛关注，并在凝聚态物理学、材料科学和化学领域展示了优异的性能和应用前景。然而，构建纯有机分子纤维的无瑕二维编织图案仍然是一个重大挑战，尽管这种可能性已经被多次提出。主要问题在于如何精准地将纯有机分子纤维编织成无瑕的二维双轴编织图案，并获取精确的结构信息，如键长、键角和聚合物网络中原子的空间位置。

有鉴于此，浙江大学黄飞鹤团队、李光锋研究员、美国德州大学奥斯汀分校Jonathan L. Sessler教授和浙江工业大学化工学院朱艺涵教授合作提出了通过配位B−N键驱动的编织聚合方法，来构建纯有机二维编织聚合物网络（2DWPNs）。研究中，科学家们通过定义基于1,4-二（苯并二噁硼）苯（BDBB）和1,2-二（4-吡啶基）乙烯（BPE）编织聚合的两上两下编织图案，成功获得了2DWPN单晶，并通过单晶X射线分析揭示了其明确定义的编织拓扑结构。此外，使用Scotch Magic Tape从分层晶体中成功剥离出了自由悬挂的二维单层纳米片。相关成果在Nature Chemistry发题为“Single crystals of purely organic free-standing two-dimensional woven polymer networks”研究论文。

这些研究成果展示了纯有机编织聚合物网络的精确构建，并突显了在二维有机材料中应用编织拓扑结构的独特机会，开创了纯有机自由悬挂二维编织聚合物网络（2DWPNs）作为功能材料的新方向。这些发现不仅推动了纯有机二维材料的发展，还为理解其形成机制和结构-性能关系提供了新的视角。

【科学亮点】

1. 纯有机二维编织聚合物网络的合成：本文成功合成了纯有机自由悬挂的二维编织聚合物网络（2DWPN），这是通过配位B−N键驱动的编织聚合反应实现的。该网络具有无瑕的二维双轴编织结构，为纯有机材料领域带来了新的突破。

2. 精确的编织拓扑结构：通过X射线衍射分析，揭示了该编织聚合物网络的精确拓扑结构。单晶的获得和结构的明确定义展示了编织拓扑在分子层面上的精确构建。

3. 自由悬挂二维单层的制备：利用Scotch Magic Tape从块状晶体中成功剥离出自由悬挂的二维单层纳米片，这在二维编织材料中较为少见。此方法为进一步探索二维编织聚合物的表面和结构特征提供了便利。

4. 高分辨率电子显微镜成像：通过低剂量和低温电子显微镜技术，研究了二维编织聚合物的表面特征，揭示了其分子层面的细节。这些成像技术帮助确认了2DWPN的表面结构和特性。

5. B−N键驱动的编织机制：本研究展示了利用B−N配位键的内在构象柔性来调节聚合物网络的拓扑结构。该机制利用了配位B−N键在溶液中的动态性和固态中的稳定性，为编织结构的形成提供了有效的控制方法。

6. 新型二维材料的潜力：通过本研究，展示了二维编织聚合物网络在材料科学中的潜在应用前景。编织拓扑结构为二维有机材料提供了独特的应力分散路径和改善刚性晶体的柔韧性，开辟了功能性材料的新方向。

【科学图文】

图1：标记为2DWPN-1的二维瓦普材料（2DWPN）的示意图。

图2：NWPN-1和2DWPN-1拓扑形成机制。

图3：原子级薄2DWPN-1薄片的制造和表征。

图4：二维瓦普材料（2DWPN-1）晶体的低温低剂量高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。

图5：2DWPN-1和NWPN-1的机械性能研究。

【科学结论】

本文的研究展示了利用配位B−N键驱动的二维编织聚合物网络（2DWPN）的创新设计和合成方法。这一方法不仅突破了传统材料设计的局限，还提供了一种新颖的合成策略，通过调节配位B−N键的角度，精确控制了聚合物网络的拓扑结构。这种从分子层面调控材料结构的能力，为未来在合成新型功能性材料时提供了宝贵的经验。

其次，成功制备和表征自由悬挂的二维单层纳米片展示了编织聚合物网络在实际应用中的潜力。通过使用Scotch Magic Tape剥离技术和低温电子显微镜，研究团队揭示了纳米片的表面特征和结构细节。这一成果不仅证明了二维编织材料的制备可行性，还为二维材料的性能优化和应用拓展提供了新的实验手段。

此外，编织拓扑结构在应力分散和提升材料柔韧性方面的优势也为材料科学领域带来了新的视角。研究表明，编织结构能够有效缓解应力集中，提升刚性材料的柔韧性，这一发现开辟了材料设计的新方向，尤其是在高性能和耐用材料的开发中具有重要意义。

文献详情：Xiao, D., Jin, Z., Sheng, G. et al. Single crystals of purely organic free-standing two-dimensional woven polymer networks. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01580-3