力色团（mechanophore）是指在机械力作用下能够发生特定化学反应的一类特殊基团。通常，一方面可以通过设计合适的力色团以获得新颖的力响应性材料，另一方面也需要通过合理的材料结构设计以便宏观外力可以有效地传递到力色团上。高分子材料在使用过程中常常受到力的作用，同时高分子链又能够有效低传递机械力。因此，基于高分子力化学的研究不仅可以创造力响应高分子材料，也是研究高分子受力作用下的各种变化机理的一种新手段。
最近，翁文桂课题组首次报道了一种同时具有力致变色和力致交联功能的复合力色团。相关研究成果（“Mechanochromism and Mechanical Force-Triggered Cross-Linking from a Single Reactive Moiety Incorporated into Polymer Chains”）以封面文章（图1）在Angewandte Chemie International Edition上发表（DOI: 10.1002/anie.201510171）。
翁文桂课题组首先设计合成了螺噻喃（STP）新型力色团，并将其引入高分子链骨架上，在溶液超声和固体拉伸中均实现了螺噻喃的电开环反应，生成具有共轭结构的布花菁硫醇盐（TMC，图2a），使得材料的颜色从无色（或浅黄色）转变成绿色（图2b）。此受力而产生的绿色响应可以用来指示材料在外力载荷下应力分布（不同受力区域受力强度不同、颜色不同），对高分子材料的破坏示警具有巨大的意义。
不仅如此，移除应力后布花菁硫醇盐在合适的条件下还能重新转变为螺噻喃，再次施加外力则又可以活化成布花菁，如此反复。因此，螺噻喃可视为一个具有被保护的S负离子的基团，通过机械力作用可以将S负离子释放出来，而且释放和保护是可逆的。重要的是，这个布花菁硫醇盐的S负离子具有高度的反应活性，能够与某些活化的双键例如马来酰亚胺发生定量的Michael加成反应。这一反应不但可以对聚合物链进行接枝改性，还可产生交联反应（图2a）。作为演示，翁文桂团队把高分子链上含有多个螺噻喃的聚酯材料与含有双官能团马来酰亚胺的交联剂进行溶液超声。与通常超声导致高分子链断裂（高分子降解）不同，这里的超声反而获得了可溶胀但却不溶不熔的产物（图2c），说明发生了高分子的力致链间交联。由于交联有利于提高高分子材料的机械强度，这里的高分子材料有机会在受力情况下进行自我补强。这个结果对高分子材料具有极其重要的意义，因为高分子材料通常在受力过载情况下容易被破坏而导致材料失效，而自我补强能力无疑将有利于提高材料的使用安全和寿命。
该研究的力致变色和力致交联是两个独立的过程，一般是次序性地发生，因此我们可以通过单个基团首先实现应力破坏示警并进而采取措施实现材料的自我应力补强，达到灵活安全地使用高分子材料的目的。该研究工作具有良好的可拓展性，为后续开发研究走出开拓性的一步。
该研究工作主要由博士生高飞和自聘的科研助理张欢博士（共同一作）共同完成，许元泽教授参与了十分有益的讨论。同时，英国利物浦大学的Roman Boulatov教授对该研究工作提供了许多建设性意见，并且承担了理论计算的初步工作。
该工作受到了国家自然科学基金委、博士后科学基金会、福建省自然科学基金委的大力资助和支持。
论文链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201510171/abstract
图1 Angewandte Chemie International Edition文章封面
图2. (a) 螺噻喃STP的多重力响应功能示意图。(b)含螺噻喃的聚酯溶液超声发生力致变色。（c）含螺噻喃的聚酯与含双官能团的马来酰亚胺交联剂的溶液超声。超声诱导巯基与双键的反应引发力致交联效应。
