透明材料的新突破！“超分子玻璃”是什么黑科技？

在我们日常生活中，透明材料无处不在，从智能手机屏幕到高楼大厦的窗户，它们以其独特的透明性和功能性为我们带来了无尽的便利。科学家们也正在探索一种全新的透明材料——超分子玻璃，它可能将引领透明材料领域的新一轮革命。

那么，超分子玻璃究竟是什么样的呢？它又有哪些独特的优势呢？接下来，就让我们一起走进超分子玻璃的世界，探索这一未来透明材料的新篇章。

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2024 年 4 月 19 日，我国科学家在《自然-通讯》杂志上发表了一篇关于制备超分子玻璃的文章，宣布研制出高透明度的超分子玻璃，对于未来构筑透明材料提供了一种新的思路！

研究成果发表于《自然-通讯》杂志（图片来源：《自然-通讯》杂志）

超分子玻璃是什么？

超分子玻璃，这一听起来颇为神秘的名字，实际上是一种通过非共价键交联形成的无定型材料。与传统的无机和有机玻璃相比，超分子玻璃以其独特的内在结构特征和优异的光学性能而备受瞩目。

它不仅仅是一种透明材料，更是一种兼备可回收性、良好的兼容性和热加工性的材料。这些特性使得超分子玻璃在工业生产、科学研究以及日常生活中都有着广泛的应用前景。但是，目前超分子玻璃的研究仍处于起步阶段。

超分子玻璃的制备

科学家利用溶剂蒸发法，以甲基-β-环糊精和对羟基苯甲酸为原料，合成了超分子玻璃。

在合成过程中，主要分为两个关键步骤：首先，在高温条件下，甲基-β-环糊精和对羟基苯甲酸水溶液混合物中的水分子会通过蒸发而被除去。甲基-β-环糊精作为主体分子，对羟基苯甲酸作为客体分子，通过主客体识别作用形成一种新的超分子聚合物。其次，将聚合物在 80℃ 和 20MPa 的温度和压力下进行热压 10min，最终构建出透明、块状的超分子玻璃。

由于合成原料的两种物质之间具有多种主客体单元识别模式，因此最终形成的超分子玻璃的结构也是多样性的。

超分子玻璃的制备工艺（图片来源：参考文献 1）

超分子玻璃的性质

科学家对制备的超分子玻璃的性质进行了一系列表征。结果表明，合成的超分子玻璃是无色透明状的。在 300 至 1000nm 宽波长光的照射下，超分子玻璃的透明度超过了 85%，与市面上销售的透明玻璃材料的透明度相当。

但是，当把超分子玻璃在真空下进行干燥处理后，玻璃变成了一种不透明材料，可见光的透过率不到 10%。

科学家进一步结合原子力显微镜，表面积测量，拉伸和负重实验对超分子玻璃进行表征。结果显示，制备的超分子玻璃内部是致密无孔的结构，具有良好的稳定性和机械强度，2mm 的厚度就能承受 200g 重物而不碎裂。

超分子玻璃的性质（a、超分子玻璃照片；b、超分子玻璃和干燥玻璃的透光率；c、干燥玻璃照片；de、原子力表征；f、超分子玻璃和干燥玻璃的降低模量和硬度；g、负重实验；h、拉应力-应变曲线；i、超分子玻璃在室温和30% 湿度下随时间变化的拉伸应力）（图片来源：参考文献 1）

超分子玻璃除了具有优异的透明度、机械强度外，竟然也能回收循环利用！将超分子玻璃剪碎后，磨成尺寸在微米级别的小颗粒。将这些小颗粒溶解成溶液状，再次将溶液中的水加热蒸发，把得到的粗产物进行热压，便会制备得到新的超分子玻璃。

反复循环制备五次，最后得到的玻璃与第一次的玻璃相比，透明度也不会衰减。

此外，科学家在玻璃中添加硝酸银、硫酸铜、氯化铁等一系列无机和有机化合物，制备得到的玻璃仍能保持较好的透明度和机械强度。超分子玻璃对这些添加物质的化学相容性好。

基于此性质，在后续的研究中，科学家可以对超分子玻璃进行改性处理，加大了超分子玻璃的适用范围。

超分子玻璃的可回收性和兼容性测试（a、玻璃的回收；b、回收玻璃的透明度；cde、添加不同化学物质后的玻璃；f、添加不同化学物质后玻璃的透明度；g、添加不同化学物质后玻璃的降低模量和硬度）（图片来源：参考文献 1）

超分子玻璃，作为材料科学领域的一颗璀璨新星，其独特的性质和优异的性能让它们在多个领域都有着广泛的应用前景。然而，从制备工艺的优化到性能的提升，从成本的控制到环保的考量，超分子玻璃的研究和应用仍面临着诸多挑战。

我们相信随着科技的进步和研究的深入，超分子玻璃将会给我们带来更多的惊喜和突破。让我们共同期待超分子玻璃未来的辉煌篇章！

参考文献

[1]Cai, C., Wu, S., Zhang, Y. et al. Bulk transparent supramolecular glass enabled by host–guest molecular recognition. Nat Commun 15, 3929 (2024).

[2]Nie, F., Wang, KZ. & Yan, D. Supramolecular glasses with color-tunable circularly polarized afterglow through evaporation-induced self-assembly of chiral metal–organic complexes. Nat Commun 14, 1654 (2023).

[3]吴慎将,张文斌,曹妍,等.块状透明材料应力分布均匀性检测技术研究[J].自动化与仪器仪表, 2022(000-001).

[4]王衍行,杨鹏慧,李现梓,等.耐高温透明材料的研究进展[J].功能材料, 2022, 53(10):10054-10061.

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出品丨科普中国

作者丨石雾遥 生物学博士

监制丨中国科普博览

责编｜杨雅萍

审校丨徐来、林林