中大新聞訊（通訊員劉健陽）高結晶度材料的機械物理性能主要取決于其缺陷結構，缺陷特別是晶界缺陷嚴重破壞高結晶度材料的機械性能，而天然和合成晶態材料通常為多晶，故晶態材料機械穩定性不高。同時，同木材、玻璃和塑料等一樣，晶態材料的機械強度（材料在外力作用下抵抗破壞的能力）與韌性（材料在受到外力沖擊時吸收能量并抵抗斷裂的能力）相互制約，如何改善高結晶材料的脆性，同步增強其機械強度和韌性為晶態材料當前面臨的一個巨大挑戰。
鄭治坤教授課題組一直致力于通過共價有序結構成孔和缺陷結構調控實現晶態聚合物均孔膜可控制備、結構和性能調控及其在碳四到碳八分離方面的應用研究。2019年，課題組通過小分子結構導向劑輔助界面聚合和結晶過程，建立了水面上可控制備高結晶度聚合物均孔膜的普適性新方法（Nat. Chem., 2019, 11, 994-1000）。通過對聚合和結晶過程跟蹤，揭示了聚合和結晶機理（Nat. Chem. 2023, 15, 841），并通過近原子尺度下對晶態聚合物均孔膜缺陷結構跟蹤和聚集態結構調控，實現了晶態聚合物均孔膜孔結構均一化（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 3927–3933; J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 7, 3233; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 22079）。但將所得晶態聚合物均孔膜用于壓力驅動的分離過程時，膜易破裂并導致非選擇性滲透。
編織晶界聚合物均孔膜合成示意圖
為應對這一挑戰，鄭治坤教授領導的國際團隊利用犧牲性小分子結構導向劑導向相鄰晶疇晶態聚合物分子鏈編織，構建了一種全新晶界結構-編織晶界，賦予了全結晶聚合物均孔膜高機械強度、韌性和彈性（圖1）。大面積膜抗壓性能接近致密材料鋁合金和黃金，受力斷裂時，斷裂僅發生在受力集中點，裂紋不擴展，裂紋附近膜的機械性能與斷裂前無差別，而一般全結晶材料裂紋一旦形成會迅速擴展，且裂紋嚴重影響機械性能。該工作通過構建編織晶界，建立了一種改善晶態材料脆性并同步增強其機械強度和韌性的方法，為晶態材料在柔性器件和分離膜方面的應用奠定了堅實的基礎。
相關成果以Elastic films of single-crystal two-dimensional covalent organic frameworks為題發表在Nature上。中山大學博士研究生楊永航和德國烏爾姆大學梁寶坤博士為論文的共同第一作者，鄭治坤教授為唯一通訊作者。上述研究得到了國家自然科學基金，中山大學化學學院和綠色化學與分子工程研究院、中山大學儀器分析與測試中心、中山大學光電材料與器件國家重點實驗室、歐洲同步輻射光源（ESRF）及廣東工業大學和榕江實驗室的支持。
