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图 原子力显微镜单分子力谱技术揭示材料力响应的分子机制
高分子的力化学响应是高分子材料宏观力学响应的分子基础，在高分子材料的设计制备过程中必须考虑材料在不同范围的力学响应，一些力响应的分子构筑基元还可以赋予材料特殊的力学性能、可降解性和环境响应性。
在国家自然科学基金项目（批准号：T2225016）等资助下，南京大学曹毅课题组与合作者在分子构筑基元的力响应研究方面取得进展，通过基于原子力显微镜的单分子力谱技术对偶氮苯力敏团光-力化学性质调控以及阳离子水合/去水合与阳离子- 相互作用竞争机制进行了系统地研究。相关成果分别以“偶氮苯作为光可控的力敏感基团（Azobenzene as a photoswitchable mechanophore）”和“单分子力谱揭示水溶液中阳离子-pi相互作用受阳离子的去水合能力影响（Single-Molecule Force Spectroscopy Reveals Cation-π Interactions in Aqueous Media Are Highly Affected by Cation Dehydration）”为题发表于《自然•化学》（Nature Chemistry）和《物理评论快报》（Physical Review Letters）。论文链接分别为：https://www.nature.com/articles/s41557-023-01389-6；https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.118101。
偶氮苯是被研究最广泛的光响应分子之一，通过365nm或435nm光的照射，偶氮苯分子可以发生顺/反可逆异构化。基于光调控的偶氮苯顺反异构化已被用于可逆相分离、表面改性、光致驱动分子机器等应用。该研究团队使用单分子力谱技术，定量测量了偶氮苯分子顺、反结构下力学强度，提出偶氮苯分子作为力敏团具有很好的光-力化学调控性质。该工作成功实现了利用光诱导偶氮苯力敏团构象变化来改变宏观材料的力学响应。同时，对于偶氮苯受力断裂机理的研究为设计具有光-力可调机械性能的聚合物网络提供了一种全新的途径和理论支持。
阳离子-π相互作用是一种非常重要的非共价相互作用，表现为阳离子与π共轭键之间的吸引力。在气相里的阳离子-π相互作用机制得到了广泛的研究，但在复杂的溶液体系里尚未有很好的实验研究手段。该研究团队使用单分子力谱技术，通过氟化聚苯乙烯与聚苯乙烯之间的对比，发展了一套可在单分子层面研究盐溶液体系里阳离子-π相互作用的方法。该研究定量表征了溶液里阳离子-π相互作用的强度，并结合固体核磁技术，指出阳离子的水合/去水合与阳离子-π相互作用的竞争将决定最终的阳离子-π相互作用的强度，为进一步在生理条件下研究阳离子-π相互作用及其应用奠定了坚实的实验基础。
以上工作展现出单分子力谱技术在研究力化学、高分子结构力学以及微观相互作用等交叉领域的巨大潜力与重要价值。同时揭示了力敏团等微观基元对材料整体力学性质方面的影响，为深入理解材料宏观力学属性提供理论指导。