从机械化学和溶剂溶胀的角度研究聚合物凝胶

聚合物凝胶已成为各个领域的主要技术，从光学和药物输送到碳捕获和电池。然而，关于凝胶及其网络结构仍有许多悬而未决的问题，这阻碍了科学家将其显着的宏观特性与特定的分子机制联系起来。

解决这个难题的一个有趣方法是从机械化学的角度来研究它;也就是说，由压缩、拉伸和研磨等机械刺激引发的化学反应。为了使这个过程更容易，科学家们可以将机械细胞编织成聚合物网络。这些分子在暴露于机械应力时会发生可预测的化学变化。虽然有很多方法可以施加机械力来激活凝胶中的机械力，但其中一种方法的研究远不如其他方法：溶剂溶胀。

受这种知识差距的推动，日本东京工业大学 (Tokyo Tech) 的一对研究人员决定专注于聚合物凝胶中溶胀诱导的机械变色(或机械刺激引起的颜色变化)。在他们最近发表于Angewandte Chemie International Edition的研究中，研究人员采用了一种创新策略，使凝胶对溶剂溶胀引起的机械力非常敏感，同时在精心挑选的机械细胞激活时也表现出显着的颜色变化。

所讨论的方法依赖于创建多网络聚合物。该过程首先合成第一个网络，在该网络中，聚合物链通过称为二芴基丁二腈 (DFSN) 的机械载体连接。然后，第一个网络被单体填充和拉伸，单体是与第一个网络交织在一起的第二个网络的构建块。再次重复上一步并引入第三个网络后，最初的第一个网络最终会拉伸到 DFSN 连接器可以因溶剂膨胀引起的体积轻微膨胀而断裂的程度。最重要的是，当 DFSN 机械细胞分裂成氰基芴 (CF) 自由基时，它们呈现出一种可以在宏观上很容易观察到的粉红色。

通过这种创新策略，研究人员可以研究和比较不同溶剂在各种多网络聚合物上引起的溶胀。他们还研究了由溶剂溶胀和单向拉伸引起的机械活化差异，以及 DFSN 热反应性的变化。最后，他们分析了为什么粉红色 CF 自由基如此稳定，尽管热力学理论表明它们应该随着时间的推移重新组合成原始的 DFSN 接头。值得注意的是，本研究中使用的聚合物所获得的见解也适用于其他化合物，正如该论文的通讯作者 Hideyuki Otsuka 教授所说：“所研究的现象不仅限于多网络聚合物系统;它们也可以在其他具有独特构象的聚合物中观察到，

总的来说，这项研究的结果为聚合物网络中的溶胀过程提供了一些急需的信息。反过来，这可能会导致新颖的材料设计，正如 Otsuka 教授评论的那样：“我们的工作中展示的膨胀力引起的机械化学反应和增强的热反应性表明，使用多网络聚合物不仅有助于我们理解膨胀动力学，而且也为刺激响应聚合物材料的设计开辟了新途径。”

运气好的话，更牢固地掌握机械化学将为各种应用的创新功能凝胶铺平道路。