多孔聚合物材料广泛应用于过滤、催化、能源等领域。特别是具有三维连通孔道，并且孔径均一、尺度在1纳米左右的多孔聚合物，是制备高选择性、高渗透性纳滤膜的理想材料。然而，常规的制备多孔聚合物的方法较难控制其内部的三维结构以及孔径的尺寸。寻求创新的方法，实现廉价、规模化地制备多孔聚合物，是拓展此类材料应用的先决条件。

  两亲性小分子的自组装可以形成各种热力学稳定、结构有序的液晶相，其作为模板已广泛应用在制备无机介孔材料领域。此外，将可聚合的官能团引入两亲性分子中，从而获得可聚合型液晶相，通过紫外光固化反应，可将液态的液晶转化为机械强度更高的聚合物，并保存液晶前驱体的有序结构。

  双连续立方相（Q相）具有独特的三维连通网络结构，在几何上可以通过三重周期性最小曲面结构来描述，是制备具有三维连通1纳米孔道的聚合物的理想模板。然而，可聚合型两亲性小分子较难形成Q相，这是由于Q相特殊的界面曲率不利于液晶基元的堆积，而可聚合型官能团的引入造成一定的空间位阻；此外，在聚合反应过程中，由于分子构象的改变极易导致有序结构的破坏。尽管少数已报道的可聚合两亲性分子可以形成稳定的Q相，并成功实现了结构的光固化。然而，这些分子的化学结构较为复杂，合成路线繁琐，难以大量制备，无法推广。

  近期，东华大学冯训达课题组报道了一种易于推广、基于Q相光固化来制备具有三维连通孔道聚合物的方法。通过高辉度的同步辐射X射线散射精确表征了所获得的多孔聚合物的结构，并首次使用高分辨透射电镜证实了Q相的三维结构在光固化后的高保真度。

  课题组合成了一种结构简单、廉价易得的可聚合型两亲性小分子作为溶致液晶的构筑单元，并利用了分子中季铵阳离子与磷酸根阴离子的络合作用，通过与磷酸水溶液共混，成功获得相空间较宽的Q相液晶（为双螺旋体型double gyroids）。该体系一个重要优势就是在保证Q相稳定的前提下，可以引入大量的商品化交联剂。而大量的交联剂的存在，使得体系通过紫外光引发的聚合反应可以形成高密度的交联，最终实现高保真度的结构锁定。在聚合物中，三维连通的纳米孔道由磷酸水溶液填充，光引发聚合的两亲性分子和交联剂形成聚合物基质。

  同步辐射小角X射线散射（SAXS）结果表明，当交联剂在体系中的质量分数达到20%以上时，光固化前后的特征（211）衍射峰的位置以及半峰宽基本保持不变，证实了Q相结构在聚合物中的完好保存。此外，具有Q相结构的聚合物薄膜也具有很好的光学透明性和机械性能。

  为了进一步证实聚合物中的双螺旋体型结构，对聚合物进行超薄切片，透射电子显微镜（TEM）观测到了双螺旋体型结构不同晶面的图像。这也是首次利用TEM表征光固化后聚合物中Q相的实空间结构，证明了通过液晶模板法制备的Q相结构具有大面积有序性。

  相关研究成果以“Highly Ordered Interconnected 1 nm Pores in Polymers Fabricated from Easily Accessible Gyroid Liquid Crystals”为题发表在高分子领域著名期刊Macromolecules (2021, DOI: 10.1021/acs.macromol.1c00721) 上，东华大学纤维材料改性国家重点实验、先进低维材料中心为第一单位，冯训达研究员为本文的通讯作者，材料科学与工程学院18级硕士生吴晗宇为本文第一作者。该工作得到了国家自然科学基金（面上项目22075041）、上海市浦江人才计划(19PJ1400100)、上海高校特聘教授（东方学者）岗位计划的资助。感谢上海同步辐射光源X光线站16BLB1为本文小角X射线散射表征提供的大力支持。

  文章链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.1c00721