Ткань из молекулярных нитей

Исследователи разработали метод сплетения длинноцепочечных молекул в симметричный узор — создания молекулярной ткани. В ней макромолекулы не соединены ковалентными связями, а она сама обладает совершенно необычными свойствами («Science», 2016, 351, 365, doi: 10.1126/science. aad4011). С помощью новой технологии можно будет создавать уникальные молекулярные ткани для самых различных областей — предполагается, что такой «текстиль» может оказаться полезным и для создания пористых кристаллов, и для получения композитных полимерных материалов, способных хранить информацию. В новом материале полимерные цепи механически переплетены, а не связаны химически. Получается ткань, сплетенная из отдельных молекулярных нитей.

Прочные и одновременно гибкие ткани из витых волокон человечество применяет с древних времен — из них делают одежду, ковры и многое другое. Как заявляет руководитель нового исследования Омар Яги из университета Калифорнии в Беркли, химики давно ищут способ сплетения молекулярных нитей, но до настоящего времени никому не приходили в голову идеи, которые можно было бы реализовать на практике. Дело в том, что в хорошо известных полимерах-термопластах цепи никак не связаны между собой и расположены почти параллельно, поэтому они перемещаются друг относительно друга при деформации материала (он «течет»). В полимерных каркасных структурах молекулы, наоборот, сшиты химически — они связаны в точках, где пересекаются цепи, в результате формируются жесткие структуры без всякого намека на эластичность.

Сначала Яги и его коллеги получили сеть, сотканную из ковалентно связанных органических соединений. Для этого они использовали фрагмент, содержащий альдегидное производное комплексной соли меди (I). В этой соли координация лигандов с ионом Cu+ способствует принудительной ориентации альдегидных групп в вершинах тетраэдра. Исследователям удалось вовлечь медную соль в реакцию поликонденсации, что привело к образованию полииминов, длинные цепи которых были регулярно переплетены между ионами Cu+, служившими узлами.

Поскольку цепи материала, полученного на первой стадии, соединены координационной связью с ионами металла, это придает относительную жесткость всему материалу. Однако ионы можно удалить, обработав полимер цианидом калия, растворенным в водно-метанольной смеси. В потерявшем медь полимере макромолекулы остаются переплетенными, но получают некоторую степень свободы — появляется способность перемещаться друг относительно друга. Эластичность полимера, отмытого от меди, увеличивается в десять раз. Что интересно, материал можно снова сделать жестким — достаточно перемешать эластичный полимер с раствором, содержащим комплекс меди Cu(CH₃CN)₄(BF₄). В узловые точки снова встраивается медь, и координационный полимер регенерируется.

Яги считает, что разработанная технология прядения молекулярных нитей — это переход на новый уровень в дизайне и получении новых материалов. Исследователь планирует и дальше работать над новыми типами молекулярных тканей. Предполагается, что в единую структуру можно будет сплетать несколько различных по строению и свойствам молекулярных цепей.