28日，中山大学化学学院郑治坤教授团队成功制备出高韧性、高弹性、高机械强度的二维晶体薄膜，并报告了一种利用牺牲性小分子结构导向试剂导向相邻晶畴形成编织晶界结构的制备方法，有望扩展晶体膜在分离、光电、柔性器件等领域的应用，相关成果在《自然》杂志上刊发。
从原油到汽油、柴油等成品油，往往需要经过蒸馏、催化等工序分离不同物质。从大型炼油塔的建造和维护，到加热消耗的能源，石油化工近80%成本花在分离上。膜分离法成为化工生产领域降低能源消耗、削减加工成本、提高分离效率和产品纯度的一条“出路”。
传统有机高分子材料制成的分离膜，浸到油里会被溶解或溶胀，使用全结晶的分离膜则可有效避免这些问题。为此，郑治坤团队深入研究晶态聚合物均孔膜的制备、结构和性能调控等问题。从把膜制作出来，到实现孔道结构均一，再到让它更高效、更可靠、更耐用。“我们这项研究其实解决的是两个力学问题，一是实现材料强度和韧性的同步增强，二是改善晶体的脆性，提高其机械稳定性。”郑治坤说。
在该研究中，团队在制备二维晶体聚合物时加入牺牲性导向试剂，以线性聚合物为“梭”，利用其自发缠绕、穿插的特性，将二维聚合物编织起来，形成编织晶界。待晶界形成，线性聚合物又会随排异的结晶过程自动离开。
进一步实验表明，这种全新晶界结构——编织晶界连接形成的晶态聚合物膜具有高韧性、高弹性和高机械强度的特点，其抗压性能接近铝合金和黄金。当材料受力断裂时，裂纹不扩展，且不影响裂纹附近膜的机械性能。
“这为二维晶体材料在柔性器件和分离膜方面的应用奠定了基础。柔性材料可用于生产柔性显示器、柔性电池、柔性传感器等。膜分离技术则已普遍用于化工、环保、生物工程等领域。与常规膜分离相比，全结晶的聚合物膜有望以更高效率分离出更高纯度的物质。”郑治坤说。
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