编织作为人类最古老的手工艺之一，自古至今一直伴随着人类文明的发展。通过编织，一维的线性材料可以转化为多种生产工具、日常用品以及丰富的艺术创作。受此启发，化学家致力于将这种宏观技艺延伸至微观尺度，在分子尺度上构建精美的编织结构。在过去十几年的时间里，分子编织拓扑结构已经从简单的平纹编织，进一步发展为更复杂的双轴编织和三轴编织等结构。与宏观织物不断向复杂化、精细化发展的趋势类似，构筑更加复杂而精细的分子编织结构，不仅是拓展分子编织材料结构的关键，也是发掘其新颖性质与功能、推动分子编织向更高层级发展的重要基础。

  近日，浙江大学黄飞鹤教授团队利用配位B?N键驱动的聚合过程，通过调控单体尺寸和溶剂诱导作用，成功实现了具有多级编织拓扑结构的二维聚合物网络结构的构筑。该多级编织结构将具有不同交织特征的编织拓扑整合于同一聚合物网络中，推动分子编织由单一拓扑模式向多层级、复杂拓扑体系迈进。多级拓扑的引入为材料结构设计增添了新的自由度，有望赋予分子编织体系更加丰富的结构特征、动态行为和功能响应，为探索拓扑结构与宏观性能之间的构效关系，以及发展具有多样化结构和优异功能的分子尺度材料开辟了新的方向。

  2026年9月24日，该工作近期以题为“Multilevel Molecular Weaving”的论文发表在Nature Materials上，浙江大学黄飞鹤教授、李光锋研究员、肖丁研究员和浙江工业大学朱艺涵教授为本文通讯作者，浙江大学陈丽雅博士、麻省理工学院郭哲汶、浙江大学肖丁研究员和浙江工业大学刘懿宽博士为本文共同第一作者。

  多级编织聚合物网络的形成依赖于配位B?N键驱动的聚合反应、单体长度组合和溶剂诱导作的共同作用。单晶结构分析表明，由双硼酸单体DB-1和双吡啶单体PY-1形成的一维聚合物呈U型构象（图1a）。其U型开口中的溶剂分子诱导另一条聚合物链穿过，从而形成一上一下的编织拓扑结构WPN-1（图1b）。若将硼酸配体换成DB-2，则U型开口变大，可以容纳两个溶剂分子但没有聚合物链穿过，因此形成非编织型聚合物网络NWPN-1（图1c）。当同时使用DB-2和PY-2进行配位，可以形成足够大的U型开口可容纳三条聚合物链和三个甲苯溶剂分子，从而获得多级编织拓扑结构（图1d）。

图1：WPN-1、NWPN-1和MWPN-1的制备及其结构表征。（a）WPN-1、NWPN-1和MWPN-1的制备。（b）WPN-1、（c）NWPN-1和（d）MWPN-1的扫描电镜照片和晶体结构。（e）MWPN-1晶体结构中的多种编织拓扑结构和聚合物链。

  进一步分析MWPN-1的单晶结构中聚合物链缠结情况，发现该结构中包含平面链和螺旋链这两种不同构象的聚合物链。平面聚合物链之间形成了两上两下的二维编织网络；与此同时，螺旋型聚合物链则穿过该网络的网格，进一步交织结构，类似于纺织品上通过刺绣或缠绕加固以获得图案装饰或增强效果。另外，平面与螺旋聚合物链之间会形成另外一种不同于两上两下编织拓扑结构的异质性的二维编织聚合物网络，其中平面链和螺旋链分别作为经线和纬线，而另一个方向延伸的平面聚合物链穿过该编织网络的内部。因此，多级编织拓扑结构实现了将不同交织特点的编织拓扑结构整合在单一聚合物网络结构中（图1d）。

图2：MWPN-1的电镜图像。（a）MWPN-1的低温低剂量高分辨率透射电子显微镜图像。（b）MWPN-1的模拟投影伪彩色静电势能图。

  通过低剂量冷冻电镜技术对MWPN-1进行成像，可以直接、清晰地看到分子编织聚合物网络的结构特征，最高分辨率可达1.6 ?（图2a）。通过模拟投影得到的静电势能图与由单晶XRD衍射得到的晶体结构高度吻合，为这种复杂的多级编织拓扑结构提供了充分的结构证据（图2b）。

图3：WPN-1和MWPN-1的机械性能。（a）WPN-1和（b）MWPN-1的DMT模量。（c）WPN-1和MWPN-1的力-位移曲线。（d）WPN-1和（e）MWPN-1的二维平面内杨氏模量分布图。（f）MWPN-1在常压下的拉曼光谱。（g）MWPN-1在不同压力下的部分拉曼光谱。（h）MWPN-1晶体中拉曼峰位置随压力的变化关系。MWPN-1在（i）沿a轴方向和（j）沿b轴方向施加载荷后发生20%变形时的模拟晶体结构。

  与单一层级的编织聚合物网络WPN-1相比，MWPN-1的DMT模量和硬度较低（图3a?c）。通过变压拉曼光谱和理论计算进一步表明，不同的编织组分呈现出不同的形变模式（图3d?h）。平面链通过链间滑动、旋转以及编织角度的变化来适应形变，而螺旋链则更多依赖于二面角的变化来响应外部扰动（图3i和3j）。因此，外部应力可以通过多种类型的形变途径来缓冲，而非单一的形变模式。

图4：MWPN-1的吸附和分离性质。（a）MWPN-1的吸附和分离的示意图。（b）MWPN-1a在298 K、P/P_s = 0.9条件下，对甲苯（Tol）、甲基环己烷（MCH）和三种甲基环己烯（MCE-1、MCE-2、MCE-3）的同分异构体随时间变化的吸附曲线。（c）MWPN-1a在298 K、1 bar下对体积比为（c）40/60、（d）10/90和（e）1/99的Tol /MCH混合物的穿透曲线。MWPN-1a在298 K、1 bar下分别对（g）Tol/MCE-1、（h）Tol/MCE-2、（i）Tol/MCE-3混合物进行分离时的实验突破曲线。（j）MWPN-1a’晶体结构的侧视图。（k）MWPN-1a及Tol@MWPN-1a的模拟结构。

  多层编织拓扑结构不仅调控了聚合物的机械响应，还影响着对客体分子的选择性吸附与分离。活化后的MWPN-1a对甲苯的动态吸附能力显著高于甲基环己烷和三种同分异构的甲基环己烯，穿透实验也证实该材料能够有效的实现甲苯和甲基环己烷以及三种甲基环己烯同分异构体的分离（图4a?i）。计算和分子模拟表明，通过编织角度与螺旋角度的协同变化，可以形成有利于甲苯保留的自适应通道（图4j和4k）。

  综上所述，该研究通过协同调控单体尺寸与溶剂作用，构筑了一种具有多级编织拓扑的二维聚合物网络，使不同交织模式得以共存并协同作用整合在同一网络结构中。不同于单一拓扑网络中相对单一的结构响应，这种多级编织体系能够通过不同拓扑单元之间的协同运动实现分级应力调节，并通过多级拓扑结构对孔道环境进行动态调控，从而兼顾力学适应性与多孔特征。该工作进一步揭示了多级拓扑结构与材料宏观性能之间的内在联系，为复杂拓扑聚合物的结构设计及功能调控提供了新的思路，也为分子编织材料向更高层级的结构和性能协同发展提供了新的研究方向。

  文章链接：https://doi.org/10.1038/s41563-026-02754-9

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