在通常情况下，分子是采取无序随机的运用模式。但是一旦分子统一运动，就可以体现为物质的宏观机械运动。在生物界由于生物大分子的微观上统一行动导致宏观的机械运动现象十分常见。最常见的案例就是人体骨骼肌的宏观收缩，是由无数个肌动蛋白丝在10-12纳米的长度尺度上在肌凝蛋白丝上滑移，这些的肌动蛋白丝集体运动可以导致肌节收缩1 μm。当肌节收缩同时发生时，肌肉就能够产生足够的力量来移动身体。现如今，已经有大量的人工分子肌肉材料根据这一原理设计和制备，这些仿生肌肉材料通过利用集成和放大的分子运动来执行相关的宏观尺寸的机械运动。然而，在一个单一的系统中，这种类似于肌肉的行为，即在分子水平上产生统一的运动放大为宏观的机械力和运动，仍然是一个艰巨的挑战。
通过轮烷机械交联的聚合物在研究分子水平运动行为对宏观机械运动所造成的影响上有巨大的潜力。主要是因为轮烷在聚合物分子链上的滑移可以直观地表现在聚合物整体的机械性能上。已经有相关工作利用轮烷使得聚合物链相互链接，并且获得的聚合物材料往往都聚合比较大断裂伸长率，体现了独特的力学性能。
近期，上海交通大学颜徐州团队联合俞炜团队通过机械互锁交联网络展现了一个特殊的模型系统，即由嵌入的聚合物分子链的轮烷统一地微观运动放大而产生了特别地宏观力学特性。一方面，机械键的运动将原始的悬垂链引入网络，众多微观运动的协同作用导致整个网络的扩展，赋予了良好的拉伸性和抗穿刺性。另一方面，分子链上轮烷配位作用的解离和随后的滑动运动代表了一种特殊的能量耗散途径，轮烷在分子链上整合和放大使本体材料具有良好的韧性和阻尼能力。为此，开发了一种连续应力松弛方法来阐明轮烷单元的微观运动，可以理解累积微观运动与放大的宏观力学性能之间的关系。该工作以题为“Amplifification of integrated microscopic motions of high-density [2]rotaxanes in mechanically interlocked networks”的文章发表于Nature Communication上。
机械互锁交联网络的基本性能
差热分析的结果表明，随着PETMP交联剂含量的增加，Tg值从1.47°C增加到32.4°C。更密集的网络更有可能限制聚合物段的运动，从而导致更高的Tg。通过分析不同交联度的力学性能发现随着交联密度的增加，杨氏模量从37.2（MIN-6）显著增加到281MPa（MIN-1）。然而，高交联密度无疑牺牲了样品的拉伸应变和韧性，最高交联度的MIN-1的最大应变和韧性分别为31.6%和7.0 MJ/m3。而中等交联密度的MIN-4的拉伸应变和韧性的是其中样品的最大值，分别为542%和47.2 MJ/m3。
由于MIN-4的力学性能最好，文中对该样品的力学性能做了进一步的分析。将轮烷机械互锁的聚合物网络对比无轮烷的聚合物网络，的拉伸试验结果表明MIN-4在拉伸性（542 vs 268%）、刚度（杨氏模量：101 vs 1.68 MPa）、韧性（47.2 vs 1.70 MJ/m3、1.70 MJ/m3）、强度（最大应力：14.3 vs 1.26 MPa)上都有极大的提升，说明了可滑动机械键在改善力学性能方面的重要作用。
微观轮烷微观运动的放大效应
当一个轮烷基团处于张力状态下时，延伸曲线可分为四个区域。初始阶段（0−5A）相对平坦，能量没有明显变化，这一阶段主要与分子结构中链的初始拉伸有关。随后，在第二阶段（6−10 Å）中观察到明显的能量增加（高达238.5 kJ/mol），这可能是由于宿主−客体相互作用的逐渐解离所致。第三阶段（10−18 Å）表现出相对稳定的能量分布，表明轮烷沿其轴滑动，即运动阶段。最后，观察到一个能量急剧增加的状态（>18 Å）。在这一阶段，轮烷到达了止动分子的位置，然后随着应变的增加而发生了弹性变形。这四个阶段在轮烷机械交联聚合物网络的应变控制的旋转流变仪上采用了连续多步应力松弛（SR）行为表现一致。
小结：通过设计了一系列具有轮烷机械交联的聚合物网络，获得了最佳的交联比例。其中 MIN-4在刚度（杨氏模量= 101 MPa）、强度（最大应力= 14.3 MPa）、拉伸性（542%）和韧性（47.2 MJ/m3）方面表现出更好的力学性能，在能量耗散和抗穿刺方面也有更好的性能。通过实验验证了轮烷机械交联的聚合物网络的宏观力学特征起源于高密度轮烷网络中机械键的微观运动的整合和放大。这类材料在可伸缩电子器件、抗划伤涂层、微执行器等领域具有广阔的应用前景。
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