蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院卜偉鋒教授課題組長期從事聚合物/無機復(fù)合材料的精準(zhǔn)制備、超分子組裝、功能化方面的研究。聚合物/無機復(fù)合材料是一類含有無機組分的功能軟材料,既具有聚合物的可控組裝特征,又展示出基于無機組分的功能特性。它們已經(jīng)在刺激響應(yīng)性材料、金屬藥物遞送、摩擦學(xué)等領(lǐng)域展示了巨大的應(yīng)用潛力。我們主要關(guān)注如下兩個科學(xué)問題:第一、在聚合物/無機復(fù)合材料中,無機組分以什么樣的角色影響了聚合物的自組裝機制?而且這類獨特的自組裝行為及其機制是純有機聚合物體系無法企及的。第二、聚合物如何影響了無機物的功能特性,包括發(fā)光性能、抗癌活性、減摩抗磨等?強化對無機物功能性的有效提升,進(jìn)而建立構(gòu)效關(guān)系?;谶@些研究工作,我們已經(jīng)在J. Am. Chem. Soc.,Macromolecules,Chem. Eng. J.等刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文共60多篇。
相關(guān)成果:
一、發(fā)現(xiàn)了一類新型自組裝體系。
圖一、以多酸簇合物為核,以聚苯乙烯為支鏈的星形超分子均聚物的制備示意圖(a)以及它們在甲苯/甲醇混合溶劑中的自組裝納米結(jié)構(gòu):從星形聚合物到自支撐薄膜(甲醇體積比例50%,b)、空心球(90%,c)。該類簇基星形聚合物原有的核殼結(jié)構(gòu)得以保持。
以無機簇合物或配合物基離子微區(qū)為核的星形超分子均聚物自組裝形成空心球和薄膜,星形均聚物原有的核殼結(jié)構(gòu)依然保持。其驅(qū)動機制為在“弱化溶劑質(zhì)量”的溶液體系中星形聚合物之內(nèi)、之間的鏈段間范德華吸引力與排斥的熵效應(yīng)之間的微妙平衡(圖一、Chem. Commun. 2012,48,7067; Macromolecules 2014,47,7158; Langmuir 2015, 31, 2262)。兩親性簇基星形超分子共聚物則在“非選擇性溶劑”中形成膠束狀聚集體。這些膠束狀聚集體的形成得益于星形共聚物中臂與臂之間的拓?fù)涫芟拮饔?,進(jìn)而增強了不同臂之間的弱的不相容性。這些自組裝結(jié)構(gòu)與星形共聚物在“非選擇性溶劑”中以單分子形式存在的共識形成鮮明對照(ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 16947; Sci. China Chem. 2020, 63, 792; Polym. Chem. 2021, 12, 1476)。上述自組裝結(jié)構(gòu)及其形成機理不屬于傳統(tǒng)兩親性分子的自組裝范疇,拓展了聚合物組裝的膠體化學(xué)概念。應(yīng)該強調(diào)的是:所有這些不同尋常的自組裝行為和機制在常規(guī)有機星形聚合物中卻從未有發(fā)現(xiàn)。究其原因是由于其核殼間缺乏電子密度對照,進(jìn)而無法通過TEM形貌研究區(qū)分其核殼結(jié)構(gòu)。在這一系列工作中,我們利用無機物作為“TEM可視探針”,發(fā)現(xiàn)了經(jīng)典有機聚合物體系所不可企及的新型自組裝體系。
二、構(gòu)建了以金屬配合物微區(qū)為核的聚合物膠束庫。
圖二、(上)銠(I)配合物基棒狀膠束EARh-1?3的靜電自組裝示意圖。(下)EARh-1經(jīng)小鼠尾靜脈注射的不同時間點的活體磷光成像的(a)平均發(fā)光強度、(b)切除的腫瘤及器官的磷光成像和(c)腫瘤組織的H&E切片染色圖。
發(fā)展了以2,6-二(苯并咪唑-2?-基)吡啶鉑(II)配合物(1.4×1.0 nm2)為端基的“面?線嵌段共聚物(Plane?Coil Block Copolymers)”。平面型鉑(II)配合物可視為一類獨立的嵌段,進(jìn)一步和聚合物嵌段微相分離形成磷光增強的多級有序結(jié)構(gòu)(Macromolecules 2017, 50, 2825; ACS Macro Lett. 2019, 8, 1012; Polym. Chem. 2019, 10, 4477)。其中,Pt(II)···Pt(II)和π?π堆積相互作用起到了關(guān)鍵性作用。含鉑(II)配合物的遙爪型和無規(guī)型金屬聚合物能自組裝形成動態(tài)花形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。結(jié)合其線性黏彈行為與分子流變模型可進(jìn)一步量化Pt(II)···Pt(II)和π?π堆積相互作用的締合能(Ea = 71 kJ/mol, Polym. Chem. 2021, 12, 5191; J. Mater. Chem. C 2021, 9, 15422)。利用聚乙二醇-b-聚丙烯酸鈉與陽離子型鉑(II)配合物、金(I)配合物、銠(I)配合物之間的靜電自組裝,構(gòu)建了以金屬配合物微區(qū)為核、以聚乙二醇為穩(wěn)定殼層的聚合物膠束庫?;诮饘?金屬和π?π堆積作用的磷光發(fā)射顯著增強,量子產(chǎn)率顯著增加(Chem. Commun. 2011, 47, 9336; J. Mater. Chem. C 2017, 5, 12500; Soft Matter 2018, 14, 3521; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2709; 圖二)。通過增強的滲透與保留效應(yīng)(EPR效應(yīng)),基于銠(I)配合物的聚合物棒狀膠束可定向輸運至腫瘤區(qū)域進(jìn)行近紅外磷光成像,并長時間蓄積,能精確殺死腫瘤細(xì)胞且不會明顯的損傷主要器官(圖二)。這一研究首次報道了在活體內(nèi)同時展示近紅外磷光成像和抗腫瘤活性的金屬超分子聚合物藥物,為設(shè)計協(xié)同抗癌藥物提供了新的思路(J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2709)。
三、利用動態(tài)共價化學(xué)發(fā)展了新型聚合物/無機復(fù)合油凝膠潤滑劑
圖三、α-硫辛酸酯末端雙官能化遙爪型聚合物、代表性動態(tài)油凝膠、及其摩擦系數(shù)隨著載荷增加的變化曲線。
納米粒子具有優(yōu)異的減摩抗磨性能,但不溶于基礎(chǔ)油。通過端基配位或親疏水相互作用修飾有長鏈烷烴的納米粒子可分散在基礎(chǔ)油中。隨著靜置時間的推移,單齒束縛的烷基鏈會從納米粒子表面解附脫落,進(jìn)而導(dǎo)致納米粒子聚集沉降。為了滿足其在基礎(chǔ)油中的長期分散穩(wěn)定性的應(yīng)用要求,我們設(shè)計合成了具有生物來源的α-硫辛酸酯末端雙官能化的遙爪型聚合物(圖三)。它們能夠通過可逆開環(huán)聚合反應(yīng)構(gòu)筑動態(tài)超分子網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而在基礎(chǔ)油中形成動態(tài)油凝膠。這種動態(tài)油凝膠是一個多功能的平臺,可用于均勻分散納米粒子。其中,1,2-二硫雜環(huán)戊環(huán)基團(tuán)可與MS2(M = Mo,W)、Ag、Cu等納米粒子產(chǎn)生強的配位相互作用,進(jìn)而使得納米粒子均勻地長期分散、束縛在油凝膠中。所得的聚合物/無機復(fù)合凝膠在20 °C至少能夠穩(wěn)定保存一年。相對于基礎(chǔ)油PAO-10,復(fù)合有納米粒子的油凝膠的摩擦系數(shù)下降了56%,磨損體積量下降了99%。這些優(yōu)異的潤滑性能是由于在磨損的鋼表面上形成了含有鐵氧化物和MoS2納米顆粒的,60-100nm厚的摩擦保護(hù)膜。這一聚合物/無機復(fù)合油凝膠工作將動態(tài)共價化學(xué)、配位化學(xué)、摩擦學(xué)結(jié)合在一起,解決了納米粒子在基礎(chǔ)油中的長期膠體分散性問題,為開發(fā)高性能減摩抗磨的潤滑油添加劑提供了一條新途徑(Chem. Eng. J. 2022, 430, 133097)。
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