黄飞鹤/李光锋/肖丁团队JACS：利用不对称拓扑节点构筑协同的共价与超分子聚合物网络

高分子材料已渗透至现代生活的方方面面，但随着科技发展，对其性能要求日益严苛。传统共价聚合物（CPs）依靠共价键连接，强度高但缺乏动态响应性；而超分子聚合物（SPs）基于非共价相互作用（如主客体识别），具有自修复、自适应等智能动态特性，但机械强度往往不足。因此，如何有效结合两者优势，实现“强韧兼备、刚柔并济”的协同材料，是该领域长期以来的核心挑战。在宏观织物中，不同类型的经纬线通过无数编织结点交织缠绕，形成一个兼具稳定结构与功能融合的整体。受此启发，研究团队设想：能否在分子层面设计一种特殊的“编织结点”，将刚性的共价聚合物链和动态的超分子聚合物链“编织”在一起？这一设计的巧妙之处在于，不对称拓扑结点不仅起到连接作用，更可作为动态“编织结”。在外力作用下，金属配位与主客体识别这两种动态相互作用可发生可逆解离与重建，从而高效耗散能量，防止网络整体失效。

图1.通过拓扑缠结交联的协同共价与超分子聚合物网络（WCS）的示意图。

基于此，浙江大学黄飞鹤/李光锋/肖丁团队以聚氨酯为共价聚合物主链，基于苯并21-冠-7/二季铵盐的主客体识别构建超分子聚合物链，通过钯（II）与吡啶配体形成的非对称拓扑节点，逐步诱导共价和超分子聚合物形成拓扑缠结的协同网络（WCS，图1）。此外，可逆的主客体相互作用可以作为整合额外聚合物的缝合点，将WCS转变为能够容纳各种聚合物进行整合的多功能平台，从而显著增强其结构和性能的多样性。相关研究成果以题为“Synergistic Covalent and Supramolecular Polymer Networks Enabled by Unsymmetrical Topological Nodes”的论文最近发表于《Journal of the American Chemical Society》上，黄飞鹤教授、李光锋研究员、肖丁研究员为本文通讯作者，杨雪博士与麻省理工学院博士生郭哲汶共同为本文第一作者。本项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和浙江省“尖兵”研发攻关计划等的支持。

利用缠结协同的优势，作者在WCS的共价-超分子聚合物平台中引入了第三条共价聚合物链，构建了拓扑缠结的共价-超分子-共价协同聚合物网络（WCSC，图2）。不同共价聚合物链的整合使得复杂多元网络结构的设计变得灵活，从而满足各种应用的多样化需求。

图2. WCSC网络的构筑示意图。

WCSC网络展现出组成依赖的力学性能。通过调控环氧树脂（EP）含量可实现刚性与韧性之间的平衡。基于此，作者将WCS-2引入环氧体系制成WCSC-EP粘合剂，其搭接剪切强度达18.2 MPa，脱附功提升至26.4 kN/m，实际可多次重复承载20 kg重物，展现出拓扑缠结网络在协同增强与功能集成方面的应用潜力（图3）。

图3. WCSC网络的机械性能与粘接性能。

因此，这项研究不仅为构建协同共价与超分子聚合物提供了新颖的设计参考，更重要的是，它将拓扑驱动的聚合物网络概念从单组分体系推进到多组分协同，让人联想到具有独特经纬线的宏观编织结构。相信这一进展将进一步激发拓扑缠结材料的结构设计与功能化研究，推动该领域从单纯的结构模仿走向功能应用。

图文：黄飞鹤教授课题组

编辑：黄珍珍 邹尔纯

审核：陆展