冯新亮院士，最新Nature大子刊！

摘要：二维聚合物（2DPs）作为一类在二维正交方向上具有周期性延伸的结晶性层状材料，因其独特的物理化学性质而备受关注。然而，如何实现从单层到双层的精确厚度控制，以探索超越单层极限的邻近效应现象，一直是合成领域的重大挑战。层间弱相互作用往往导致堆叠无序，而现有方法如剥

高弹性模量机械互锁二维聚合物

二维聚合物（2DPs）作为一类在二维正交方向上具有周期性延伸的结晶性层状材料，因其独特的物理化学性质而备受关注。然而，如何实现从单层到双层的精确厚度控制，以探索超越单层极限的邻近效应现象，一直是合成领域的重大挑战。层间弱相互作用往往导致堆叠无序，而现有方法如剥离技术或逐层转移难以兼顾结构完整性与厚度均匀性。

近日，德累斯顿工业大学冯新亮院士、王智勇博士、Gianaurelio Cuniberti 和莱布尼茨高分子研究所Andreas Fery教授、香港大学董人豪教授合作报道了通过在水表面嵌入大环分子，成功合成了结晶性机械互锁单层与双层二维聚合物薄膜（MI-M2DP与MI-B2DP）。该策略利用具有单腔或双腔的大环分子作为模板，在二维聚合物骨架中引入周期性机械键，实现了层数可控的互锁结构。所得薄膜具有均匀性高、面积大、孔隙有序等特点，且杨氏模量显著提升。其中，MI-B2DP的有效杨氏模量高达151±16 GPa，远超单层及范德华堆叠的双层结构，刷新了多层二维聚合物材料的力学性能纪录。相关论文以“Mechanically interlocked monolayer and bilayer two-dimensional polymers with high elastic modulus”为题，发表在nature synthesis。

研究团队通过表面活性剂单层辅助界面合成法，在水面上逐步引导单体预组织与二维缩聚反应，成功制备出MI-M2DP与MI-B2DP（图1）。薄膜不仅能在微米级孔洞上自主悬浮，表现出优异的机械稳定性，其厚度也稳定在1.7纳米（单层）与2.1纳米（双层），且随时间延长仍保持恒定，说明大环分子有效抑制了无序层堆叠。

图1：MI-M2DP与MI-B2DP的在水表面合成与表征 a. 通过（A2 + B3）型二维缩聚及V-2NH₂与大环宿主（CB8与ns-CB10）间的宿主‑客体组装反应合成ML2DP、MI-M2DP与MI-B2DP的示意图。 b. 通过表面活性剂单层辅助合成法逐步制备薄膜的过程图示，包括步骤2至5。 c. MI-M2DP与MI-B2DP在SiO₂/Si基底上的光学显微镜图像，以及在铜网格上（孔径约20 μm²）的扫描电子显微镜图像。 d. 不同反应时间下MI-M2DP与MI-B2DP在SiO₂/Si基底上的原子力显微镜图像，图中白线标示薄膜厚度。 e. ML2DP、MI-M2DP与MI-B2DP随反应时间变化的厚度统计图。

高分辨透射电镜与掠入射广角X射线散射分析进一步揭示了这两种材料具有一致的六方晶格结构，晶胞参数为a=b=44.5 Å，γ=120°（图2）。MI-B2DP的层间距为3.4 Å，GIWAXS图谱中清晰的衍射环与反射峰证实其具有高度有序的面内结构与明确的层间堆叠。

图2：MI-M2DP与MI-B2DP薄膜的结构表征 a. MI-M2DP的晶胞结构示意图，图中黑色箭头标示（100）与（110）晶面。 b. MI-M2DP的高分辨透射电镜图像，上图插图为沿红线方向的强度分布，下图插图为叠加蜂窝结构的放大图像。 c,d. MI-M2DP薄膜的GIWAXS图谱及其积分强度分布。 e. MI-B2DP的晶胞结构示意图，黑色箭头标示（100）与（110）晶面。 f. MI-B2DP的高分辨透射电镜图像，插图分别为强度分布与放大结构图像。 g,h. MI-B2DP薄膜的GIWAXS图谱及其积分强度分布，图中显示面内与面外散射信号。

在力学性能方面，研究人员结合应变诱导弹性屈曲不稳定性与原子力显微镜纳米压痕技术系统评估了材料的弹性模量与断裂强度（图3）。结果显示，机械互锁的MI-B2DP其杨氏模量较MI-M2DP提升约67%，而范德华堆叠的双层结构模量则下降近一半。MI-B2DP的断裂强度亦达19±3 GPa，在所有层堆叠二维材料中位居前列。

图3：MI-M2DP、2×MI-M2DP与MI-B2DP的力学性能 a. 三种薄膜结构的侧视示意图。 b. 单轴拉伸诱导PDMS基底侧向压缩并产生皱纹的示意图。 c. 在10%压缩应变下三种薄膜的大面积皱纹原子力显微镜形貌图。 d. 三种薄膜的杨氏模量统计图。 e. 三种薄膜的载荷‑挠度曲线及拟合结果，插图为原子力显微镜纳米压痕实验示意图。 f. 通过纳米压痕测得的三种薄膜杨氏模量对比。 g. MI-B2DP与已报道层堆叠二维共价有机框架、二维金属‑有机框架及碳纳米膜的杨氏模量比较。 h. 三种薄膜直至断裂的载荷‑挠度曲线，插图为压痕后薄膜破裂的原子力显微镜图像。 i. 三种薄膜的断裂强度统计。 j. MI-B2DP与其它二维层状材料在断裂强度方面的性能对比。

理论模拟进一步揭示，MI-B2DP中机械互锁结构显著提高了层间滑移能垒，比范德华堆叠体系高出约200 kcal/mol，从而有效抑制层间滑动，使两层在受力时协同响应（图4）。在海水淡化应用中，MI-B2DP膜在连续运行多个周期后仍保持接近初始的离子截留率，而范德华堆叠膜性能急剧下降，凸显其在实际工况下的结构耐久性。

图4：范德华堆叠2×MI-M2DP与机械互锁MI-B2DP的层间行为 a. MI-M2DP、MI-B2DP与2×MI-M2DP与当前先进单层与双层二维材料在力学性能方面的比较。 b. 两种双层结构在SIEBIMM与原子力显微镜纳米压痕实验中各层的贡献机制示意图。 c. MI-M2DP沿锯齿方向与扶手椅方向的面内应力‑应变曲线计算结果。 d. 分子动力学模拟中2×MI-M2DP与MI-B2DP在不同应变下的结构响应图示。 e. 基于二维聚合物膜的离子筛分实验装置示意图。 f. 实际测试中薄膜在应力作用下的结构变化示意图。 g. 两种薄膜在多次脱盐循环中的钠离子截留率变化对比。

该研究不仅实现了二维聚合物从单层到双层的可控合成，更通过机械互锁策略打破了“层数增加导致模量下降”的传统认知，为设计兼具高力学强度与功能性的二维材料提供了全新路径。未来，这类结构精准、性能卓越的二维聚合物有望在分离膜、柔性电子及复合材料等领域发挥重要作用。