Stable molecular switches Many single-molecule current switches have been reported, but most show poor stability because of weak contacts to metal electrodes. Jia et al. covalently bonded a diarylethene molecule to graphene electrodes and achieved stable photoswitching at room temperature (see the Perspective by Frisbie). The incorporation of short bridging alkyl chains between the molecule and graphene decoupled their pielectron systems and allowed fast conversion of the open and closed ring states. Science , this issue p. 1443 ; see also p. 1394

Polymeric materials with integrated functionalities are required to match their ever-expanding practical applications, but there is always a trade-off between complex material performances and synthetic simplification. A simple and effective synthesis route is reported to transform a small molecule of biological origin, thioctic acid, into a high-performance supramolecular polymeric material, which combines processability, ultrahigh stretchability, rapid self-healing ability, and reusable adhesivity to surfaces. The proposed one-step preparation process of this material involves the mixing of three commercially available feedstocks at mild temperature without any external solvent and a subsequent cooling process that resulted in a dynamic, high-density, and dry supramolecular polymeric network cross-linked by three different types of dynamic chemical bonds, whose cooperative effects in the network enable high performance of this supramolecular polymeric material.

Programming the hierarchical self-assembly of small molecules has been a fundamental topic of great significance in biological systems and artificial supramolecular systems. Precise and highly programmed self-assembly can produce supramolecular architectures with distinct structural features. However, it still remains a challenge how to precisely control the self-assembly pathway in a desirable way by introducing abundant structural information into a limited molecular backbone. Here we disclose a strategy that directs the hierarchical self-assembly of sodium thioctate, a small molecule of biological origin, into a highly ordered supramolecular layered network. By combining the unique dynamic covalent ring-opening-polymerization of sodium thioctate and an evaporation-induced interfacial confinement effect, we precisely direct the dynamic supramolecular self-assembly of this simple small molecule in a scheduled hierarchical pathway, resulting in a layered structure with long-range order at both macroscopic and molecular scales, which is revealed by small-angle and wide-angle X-ray scattering technologies. The resulting supramolecular layers are found to be able to bind water molecules as structural water, which works as an interlayer lubricant to modulate the material properties, such as mechanical performance, self-healing capability, and actuating function. Analogous to many reversibly self-assembled biological systems, the highly dynamic polymeric network can be degraded into monomers and reformed by a water-mediated route, exhibiting full recyclability in a facile, mild, and environmentally friendly way. This approach for assembling commercial small molecules into structurally complex materials paves the way for low-cost functional supramolecular materials based on synthetically simple procedures.

Abstract Regulating the fluorescent properties of organic small molecules in a controlled and dynamic manner has been a fundamental research goal. Although several strategies have been exploited, realizing multi-color molecular emission from a single fluorophore remains challenging. Herein, we demonstrate an emissive system by combining pyrene fluorophore and acylhydrazone units, which can generate multi-color switchable fluorescent emissions at different assembled states. Two kinds of supramolecular tools, amphiphilic self-assembly and γ-cyclodextrin mediated host-guest recognition, are used to manipulate the intermolecular aromatic stacking distances, resulting in the tunable fluorescent emission ranging from blue to yellow, including a pure white-light emission. Moreover, an external chemical signal, amylase, is introduced to control the assembly states of the system on a time scale, generating a distinct dynamic emission system. The dynamic properties of this multi-color fluorescent system can be also enabled in a hydrogel network, exhibiting a promising potential for intelligent fluorescent materials.

Supramolecular polymers that can heal themselves automatically usually exhibit weakness in mechanical toughness and stretchability. Here we exploit a toughening strategy for a dynamic dry supramolecular network by introducing ionic cluster-enhanced iron-carboxylate complexes. The resulting dry supramolecular network simultaneous exhibits tough mechanical strength, high stretchability, self-healing ability, and processability at room temperature. The excellent performance of these distinct supramolecular polymers is attributed to the hierarchical existence of four types of dynamic combinations in the high-density dry network, including dynamic covalent disulfide bonds, noncovalent H-bonds, iron-carboxylate complexes and ionic clustering interactions. The extremely facile preparation method of this self-healing polymer offers prospects for high-performance low-cost material among others for coatings and wearable devices.

The development of a dynamic chemistry toolbox to endow materials dynamic behavior has been key to the rational design of future smart materials. The rise of supramolecular and dynamic covalent chemistry offers many approaches to the construction of dynamic polymers and materials that can adapt, respond, repair, and recycle. Within this toolbox, the building blocks based on 1,2-dithiolanes have become an important scaffold, featuring their reversible polymerization mediated by dynamic covalent disulfide bonds, which enables a unique class of dynamic materials at the intersection of supramolecular polymers and adaptable covalent networks. This Perspective aims to explore the dynamic chemistry of 1,2-dithiolanes as a versatile structural unit for the design of smart materials by summarizing the state of the art as well as providing an overview of the fundamental challenges involved in this research area and its potential future directions.

Inspired by natural biomolecular machines, synthetic molecular-level machines have been proven to perform well-defined mechanical tasks and measurable work. To mimic the function of channel proteins, we herein report the development of a synthetic molecular shuttle, [2]rotaxane 3, as a unimolecular vehicle that can be inserted into lipid bilayers to perform passive ion transport through its stochastic shuttling motion. The [2]rotaxane molecular shuttle is composed of an amphiphilic molecular thread with three binding stations, which is interlocked in a macrocycle wheel component that tethers a K+ carrier. The structural characteristics enable the rotaxane to transport ions across the lipid bilayers, similar to a cable car, transporting K+ with an EC50 value of 1.0 μM (3.0 mol % relative to lipid). We expect that this simple molecular machine will provide new opportunities for developing more effective and selective ion transporters.

Using machine learning force fields to observe the details of the experimental SCSC transition process.

Facile fabrication, low material complexity and closed-loop recycling are essential for polymer plastics to alter their linear product economy towards a cradle-to-cradle one. Covalent adaptable networks (CANs) are one way to achieve that, which intrinsically exhibit decent mechanical properties like the thermosets but could also be easily recycled like the thermoplastics. In this work, we introduce rigid ester structural motifs into dynamic poly(disulfide)s to form a series of dual polymer networks. Owning to the coherence of soft/rigid segments and the reversible sacrificial crosslinking, they exhibit tailorable mechanical properties and good resistance towards different chemicals. Their closed-loop recycling is achieved via mild solvolysis, maintaining materials' mechanical integrities. It offers a solution as a sustainable replacement for engineering plastics which are massively under production but hard to be recycled.

Smart hydrogels based on supramolecular crosslinkers have attracted considerable attentions in recent years owing to their unique dynamic feature and promising properties. How to control the microstructure and macro functions on time dimension, still remains challenge for artificial hydrogels while this is common for natural materials. Here, a supramolecular hydrogel with spatially and temporally controllable modulus and optical properties is developed by in-situ polymerization of acrylamide and host–guest complexes. The guest 1 consisting of electron-poor viologen unit and electron-rich biphenyl unit formed strong 2:2 supramolecular complexes with CB[8] of high binding constant, which provided an efficient supramolecular crosslinkers for hydrogel. Moreover, the hydrogel properties can be tailored on time dimension through controlling supramolecular complexes by introducing Na2S2O4 (SDT) and oxygen to construct a chemical reaction network, resulting in spontaneous gel-sol transition and color change from yellow to dark green. Taking advantage of this feature, an information self-erasing material with controllable lifetime and good rewritability is developed. The lifetime of information can be programmed by adjusting the concentration of SDT, and write-erase process can be repeated at least 16 times. This study provides new insight to develop supramolecular host–guest complexes-based hydrogel with time-dynamic feature.