用于构建基于三苯胺的聚（二炔）纳米纤维的模板定向垂直光聚合

用天然策略构建微小导线

电子器件正朝分子尺度缩小，但在该尺度上铺设连线很困难。自然用 DNA 和蛋白质解决类似问题：先通过弱相互作用把分子排列起来，然后通过化学键“锁定”结构。本文借用了这一思路，用定制的染料分子构建超薄、对光响应的聚合物纤维。该工作为制造稳定且有高度有序结构的柔性电子器件、传感器和能量器件提供了新的途径。

为什么在微电路中垂直方向很重要

大多数有机电子器件沿平面方向传导电荷。对于下一代太阳能电池、电池和传感器，工程师也希望电流能直接通过器件厚度传输。这要求聚合物链不像随机纠缠那样，而是像一束束垂直导线那样对齐。现有方法可以利用诸如氢键或芳香族“黏附”相互作用之类的弱力堆叠分子，但这些堆叠通常较脆弱。热、溶剂或工艺处理很容易破坏它们，而且由于在堆叠方向缺乏强键，它们难以加工或整合到实际器件中。

让分子自行排列

研究者设计了两种互补的构件，基于三苯胺这一已知的吸光与电荷传输单元。一种组分带有氢键配位基和较重的卤素原子；另一种带有匹配位点和三个可反应的“二炔”单元，这些单元可以在之后被光促使结合。当以合适的 3:1 比例混合时，这些分子通过协同的氢键和卤素键网络自发地就位。原子尺度的测量表明，随着浓度增加，更多分子加入这些有序簇。与此同时，显微图像显示出显著的形态变化：单独的每种组分只会形成团块或微小点状结构，但混合后它们会生长为长而毛状的纤维，并相互交织成柔软的网络。

用一束光固定有序结构

一旦分子的“脚手架”到位，紫外光就完成固化步骤。相邻分子上的二炔单元间距恰到好处，可发生光化学反应，将它们缝合成连续的链，即所谓的聚（二炔）。光谱学表明，在没有模板的情况下，照射紫外光大多会降解反应性基团或导致短而随机的连接。而在有模板存在时，吸收光谱以干净、协同的方式变化，表明一维延伸骨架的生长。荧光测量和高分辨率原子力显微镜在实空间中追踪到相同的过程：柔软、松散连接的细丝逐步转变为更粗、更直、更刚性的纤维，最终形成具有均匀孔隙的坚固网状结构。

拆除“辅助结构”

检验该策略的关键是牺牲性模板是否可以在不破坏新聚合物的情况下被去除。作者利用了酸能破坏基于卤素的接触并将一方转化为水溶性盐，而所得聚合物则更喜欢有机溶剂这一事实。通过一系列酸碱洗涤，他们选择性地溶解并去除了模板分子。来自模板的核磁共振信号消失，证明提取成功，而红外光谱显示新形成的聚合物主链在很大程度上保持完整且高度有序。电子显微镜显示出数百纳米长的纳米纤维，对应约数百个重复单元的链——远比无模板时形成的更长且更连续。

从分子线到未来器件

通俗地说，团队让小染料分子先有序“牵手”，然后永久性地融合成结实的、线状的链，随后这些“牵手”的辅助分子静静退场。这种先自组装后固化的方法为构建垂直聚合物结构提供了一套通用方案，结合了柔性、可逆组装的可调性与共价键的坚固性。由于该策略依赖于常见的非共价作用力和光驱动化学，它可被扩展到许多其他对称分子，为制备精确的垂直对齐纳米结构打开了在光能捕获、传感和过滤等技术中的应用路线。

引用: Lu, Y., Jin, L., Wang, J. et al. Template-directed vertical photopolymerization for construction of triphenylamine-based poly(diacetylene) nanofibers. Nat Commun 17, 3731 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70114-x

关键词: 超分子聚合, 三苯胺纳米纤维, 光聚合, 聚（二炔）, 氢键与卤素键