编织技术作为一种古老而有效的材料构筑技术，能够显著提升材料的强度和刚度，使其远超单根纤维的性能。在宏观层面编织技术已被广泛应用，通过改变编织结构可以平衡材料的强度、刚度和韧性。然而，在分子层面实现对编织图案的精确调控仍是一个极具挑战性的领域。

基于此，华东师范大学化学系教授张亮和何晓联合团队通过系统性的全原子模拟，深入研究了三种典型编织结构（平纹编织、混合编织和篮纹编织）对二维有机编织聚合物的材料动力学、稳定性和力学性能的影响，为分子级编织材料的设计及性质调控提供了指导。

北京时间2025年3月18日凌晨，相关成果以“Implications of weaving pattern on the material properties of two-dimensional molecularly woven fabrics”为题发表在Matter期刊上。

论文通讯作者是张亮、何晓和杨金荣，第一作者是陈世伟博士。

图1：示意图展示了三种编织方式不同但化学组成相同的分子结构，它们均基于2×2网格重复单元构建。

作者选择了一种具有平面结构和固有螺旋手性的分子2*2网格作为重复单元，通过调整其对映体的连接方式，构建了平纹、混合和篮纹三种不同的编织图案（图1）。在所有测试的编织结构中，平纹编织展现了优越的稳定性、最小的结构变形以及最为均一的孔径分布（图2）。

图2：基于平衡分子动力学的稳定性分析。

编织结构能够保持动力学稳定主要归因于经纬纱之间的芳香堆叠和氢键相互作用，而编织模式的改变则会导致这些弱相互作用的类型和强度发生变化（图3）。尽管编织模式存在差异，但机械应力往往集中在接触区域（图4）。

图3：利用第一性原理计算，提取不同编织结构的重复网格结构进行优化，并分析分子链间的非共价相互作用。

图4：三种编织结构的归一化应力场对比。

图5：三种编织结构在不同压强下的机械响应。

在抗冲击性能测试中，作者使用非穿透性冲击模型，模拟了铁立方体对单层编织结构的冲击。结果表明，平纹编织由于其最高的纠缠密度，在冲击过程中遇到更大的阻力，应力集中在冲击中心附近的链段。相比之下，混合和篮纹编织由于纠缠密度较低，链段自由度最高，能够发生滑移以耗散冲击能量，导致结构变形较大（图5）。模拟结果显示，不同的编织结构会影响能量耗散途径，差异主要源于缠结的总数和密度，以及分子链间的非共价相互作用。

图6：不同编织结构中分子链滑移过程的能量分析。

分子链滑移过程的自由能变化表明，平纹编织由于缠结密度最高、分子链间相互作用最强，表现出最高的滑移能垒（图6）；在拉伸过程中能量增加最快，表明其具有最低的柔韧性（图7）。而缠结密度较低的混合编织和篮纹编织具有更高的柔性和更小的分子链间摩擦，更有利于滑移，在拉伸的过程中能量增加较慢，表现出更高的柔韧性。

图7：采用第一性原理计算，对不同编织结构拉伸过程中总能量和电荷密度的分析。

综上所述，本研究强调了编织结构对分子交织材料性能的关键影响，对于设计和合成具有优越物理与机械性能的编织聚合物至关重要。作者通过理论分析三种不同的编织结构——平纹、混合和篮纹，揭示了编织方式在决定织物动力学特性、稳定性及能量耗散路径中的关键作用。这一影响主要归因于缠结的总数和密度，以及分子链间的非共价相互作用。本研究不仅建立了编织结构与材料性能之间的内在机制，还提出了一个理论模型，为进一步探索分子链刚性、编织缺陷等因素对材料特性的影响提供了重要指导。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102050