环环相扣的高分子“锁链”

高分子专业2005级 吴穹

从铁索到项链，锁链结构是日常生活中最常见的拓扑结构之一。拓扑结构可以为材料带来独特的性能：金属棍是刚性的，金属链却是柔性的，而金属链却和金属棒一样坚固。锁链兼具优异力学性能与柔性，从古至今在生产生活中起到了不可替代的作用，其美丽的外表也受到珠宝设计师的青睐。

泸定桥与项链的锁链结构

几十年前，化学家便设想将锁链结构引入高分子链，以实现材料的高力学性能与高柔性。分子尺度的机械互锁结构还具有独特的可调控性，可用于设计各种分子机器（2016年诺贝尔化学奖）。因此，锁链结构的高分子——聚锁烃将具备许多传统高分子不具备的性能。聚锁烃的设计、合成对于高分子化学、超分子化学、高分子物理等领域具有重要的科学价值，并在柔性材料与分子机器方面具有巨大的潜在应用价值。

然而这种结构的合成难度很大。在过去的二十多年里，化学家尝试过多种方法，却一直无法取得成功。在美国攻读博士期间，我有幸受到导师Stuart Rowan教授（ACS Macro Letters杂志主编）的指导，将攻克这个难题作为我的博士研究方向。

清华高分子的教育为我打下了扎实的基础，帮助我在博士期间不断克服重重困难，最终取得了成功。我们设计合成了一系列C型与环状的单体，通过金属配体相互作用自组装得到高分子前驱体，并在低浓度下成功实现高产率关环，得到环环相扣的高分子聚锁烃，最终利用NMR、MALDI-TOF、GPC、光散射等手段证明了聚锁烃的长链拓扑结构。

聚锁烃的结构及本文作者

（来源：Qiong Wu, et al., Science 2017, 358 (6369), 1434.）

有趣的是，聚锁烃还具备类似于传统高分子的分子结构：它既可以是线性的锁链，也可以是支化的，甚至是环状的。而任何高分子，例如聚烯烃、聚酯等，也可以具有聚锁烃的结构。因此，高分子除了化学结构、分子结构、聚集态结构之外，还具备另一种独立的分子结构——拓扑结构。或许未来的高分子材料设计时，我们还可以通过调控聚合物的拓扑结构来实现新的功能。

对于高分子物理领域，聚锁烃为结构-性能关系的研究带来了新的模型分子。拓扑结构还可以被视为一种缠结，为熔体、浓溶液中聚合物分子链的缠结研究提供新的思路。

具有特殊拓扑结构的聚锁烃为高分子材料开拓了又一新的研究与应用领域，我愿与高分子界的同仁们一起不断探索新结构和新材料，也祝各位分字班学弟学妹们不忘初心，投身伟大的高分子事业，并在将来取得辉煌的成绩！并以此文祝清华高分子专业60周岁生日快乐！！