超分子体系是指通过次级相互作用（非共价键）构筑而成的组装体，由于超分子作用通常为动态作用，具有可逆性，因此在智能识别、可控释放、有序组装、智能响应、形状记忆等领域中具有重要应用价值。另一方面，气凝胶是一类由溶胶-凝胶化学转变和超临界干燥制备而来的纳米多孔材料，具有比表面积大、密度低、孔隙率高、孔容大等结构特征和低热传导、低声传导、低介电常数、高透明度等性能，被广泛应用于隔热保温、催化、能源存储、油水分离、药物载体等领域。然而，气凝胶的制备需经溶胶凝胶转变过程，其微观结构不可控，性能难以调控，因此，气凝胶的结构控制和性能调控是本领域面临的关键科学问题。如果将超分子有序组装引入到气凝胶的制备中，则有望实现气凝胶的结构精确控制，同时实现性能调控。但由于超分子之间为弱相互作用，其功能通常在溶液状态中展现，将其制备成干燥的多孔本体材料，其功能和力学强度能否满足实际需求，依然是有待回答的关键问题。

    为了解决以上问题，本团队采用超分子体系作为构建单元，拟制备结构可控、性能可调的气凝胶。首先，以环糊精（cyclodextrin, CD）为主体分子、聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG）为客体分子，通过自组装可制备出具有双结晶结构的超分子气凝胶，该气凝胶具有二维纳米片层结构、可溶于水，并首次将隔热与相变储能有机融合于一体，相关工作发表在ACS Nano 2015, 9, 11389。但由于该气凝胶完全由氢键相互作用构成，力学强度较弱、易碎，且比表面积小。为此，我们进一步以环糊精或环糊精聚轮烷为骨架结构，再引入部分化学交联基团，则成功获得同时具有分子空腔、微孔、介孔和宏孔的气凝胶。这类气凝胶的制备简单、结构可控、力学强度优异，最高可达160 MPa，比表面积高达200 m²/g，在隔热保温、相变储能、以及有机染料吸附等领域具有潜在的巨大应用价值（图1），相关工作发表在J. Mater. Chem. A 2017, 5, 4308。 

图1. 以环糊精为构建单元制备的多级孔结构、高强度CD气凝胶块体。

    最近，课题组采用原子转移自由聚合法（ATRP）制备了以聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAAm）为封端基团的双重温度响应聚轮烷，而后以此聚轮烷为构建单元，通过化学交联剂对聚轮烷中的环糊精进行化学交联，制备了具有高力学强度、温度刺激响应的超分子聚轮烷气凝胶。该气凝胶比表面积高达232 m²/g，杨氏模量高达74.7MPa。由于聚轮烷两端引入了PNIPAAm，该超分子气凝胶表现出温度响应的亲-疏水转变（如图2所示），相关工作近来发表在ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 1468。简言之，将基于环糊精的超分子体系引入到气凝胶的制备中，成功制备了结构可控、具有刺激响应的气凝胶，另一方面，通过化学键的引入，将超分子体系的力学强度提高至数十至160MPa。这些工作为气凝胶的结构设计和功能化开辟了全新思路。

图2. 以超分子聚轮烷为构建单元制备的温度响应、高强度超分子气凝胶

（王锦 供稿）