編織是最古老的傳統(tǒng)手工藝之一，是紡織生產(chǎn)領(lǐng)域中一項特別重要的技術(shù)；幾個世紀以來，廣泛應(yīng)用于人類的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)。在工藝上，常見的編織技法有編織、纏扣、包纏、釘串、盤結(jié)等。通過運用這些編織技法，結(jié)合豐富的編織資源，可以生產(chǎn)出各式各樣、豐富多彩、功能多樣的產(chǎn)品。在化學(xué)上，模仿這種工藝，通過分子編織有望于開發(fā)具有特殊性能的新材料。分子編織的技法多種多樣，可以使用的原材料種類繁多，使得分子編織產(chǎn)物具有無限可能。通過分子編織，設(shè)計獨特的化學(xué)結(jié)構(gòu)和材料將是化學(xué)領(lǐng)域的一大進步。但是，目前由于原材料和分子編織方式的匱乏，在分子水平上進行編織仍然是一個挑戰(zhàn)。
近日，我校化學(xué)學(xué)院池振國教授團隊及其合作者采用獨特的編織技法，首次報道了一種由一維帶孔長鏈交織而成的動態(tài)二維（2D）編織氫鍵有機框架（HOF）。他們首先合成四取代四苯基乙烯（TPE）衍生物，其中含有苯基羥基（TPE-4PhOH），并被視為編織結(jié)構(gòu)的原材料。隨后，通過結(jié)晶處理，成功構(gòu)建了一個編織的HOF（命名為2D-90）。TPE-4PhOH呈現(xiàn)出幾何上定義良好的X形結(jié)構(gòu)（圖A），酚基附著在TPE核心的外圍。當每個X形TPE-4PhOH與兩個相鄰分子相互作用，形成四對分子間O-H···O氫鍵時，TPE-4PhOH組裝為一維長鏈（圖B），即編織材料的經(jīng)線或緯線，長鏈上帶有具有規(guī)則間隔的菱形孔。當不同方向例如垂直方向長鏈上的有機分子插入這些菱形孔中，進而展現(xiàn)出由一維長鏈構(gòu)造的互鎖模式（圖C）。在單晶結(jié)構(gòu)的c軸上可以觀察到雙軸的編織結(jié)構(gòu)（圖D），經(jīng)緯線夾角為90.0°。同時，在單晶結(jié)構(gòu)的a軸和b軸上可以觀察到非常規(guī)整的層狀結(jié)構(gòu)（圖E），表明這是一個二維編織結(jié)構(gòu)。此外，研究者還利用TEM、HRTEM、cryo-EM、AFM和理論模擬等多種手段對其單晶結(jié)構(gòu)進行了深入而全面的研究。
重要的是，該編織HOF具有優(yōu)異的動態(tài)行為和力學(xué)性能，包括對各種蒸汽的可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，以及大尺度的彈性轉(zhuǎn)換和刺激響應(yīng)發(fā)光行為。例如，在不同溶劑刺激下（圖F），該編織HOF（2D-90）可以表現(xiàn)出可逆的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，其經(jīng)線與緯線之間的夾角可以在不同角度間來回切換，并且該編織HOF表現(xiàn)出對醇類蒸氣具有特殊的響應(yīng)。
圖 (A) TPE-4PhOH分子式；2D-90單晶結(jié)構(gòu)中：(B) 一維長鏈和分子間氫鍵，(C) 互鎖模式及其示意圖，(D) 沿c軸的二軸分子編織結(jié)構(gòu)，(E) 沿a軸和b軸的層狀結(jié)構(gòu)；(F) 2D-82和2D-90之間可逆性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變示意圖。
該研究成果發(fā)表在Cell Press（細胞出版社）旗下期刊Chem上，題目為“Dynamic Molecular Weaving in a Two-Dimensional Hydrogen-Bonded Organic Framework”。池振國教授課題組的博士生黃秋憶和李文朗是文章的共同第一作者，趙娟副教授、龔力實驗師、池振國教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金，廣東省科技計劃和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費等項目的資助。
