聚合物的拓扑结构可赋予聚合物材料独特的性质和功能,因此受到了广泛关注。作为聚合物的关键性能之一,力学性质可影响甚至决定聚合物材料的应用。因此建立拓扑结构与聚合物力学性质的联系十分重要,相关研究对于功能化聚合物材料的设计及制备具有重要的意义。传统的体相拉伸表征方法只能够提供聚合物力学性质的平均化信息,既包括了分子内相互作用,又包括分子间相互作用的贡献,难以提取出某一因素的影响。从单个分子水平探究拓扑结构与聚合物力学性质间的关系,将有助于建立拓扑结构与聚合物纳米力学性质的联系。基于原子力显微镜的单分子力谱技术的出现使得单条聚合物链的操纵和力学探测成为可能。本论文利用基于原子力显微镜的单分子力谱技术,研究了几种具有不同线形和环形拓扑结构聚合物的纳米力学性质,取得以下研究结果:一、探究了具有不同构象的线形聚苯乙炔嵌段共聚物的高级结构及其纳米力学性质。圆二色谱实验表明,顺-顺和顺-反两种构象的聚（3,5-二取代苯乙炔）分别形成了紧密和伸展两种不同类型的螺旋结构。该嵌段螺旋结构受到外力拉伸时,其力曲线上分别在～55 p N和～100 p N左右出现了两个高度不同的力学平台,表现出不同的力学稳定性。通过对两种相对应的聚苯乙炔均聚物进行拉伸,发现紧密螺旋相比于伸展螺旋稳定性更高,并且展开过程中紧密螺旋的伸长比,较伸展螺旋的更大。该实验结果为线形聚合物的拓扑结构及其力学性质调控提供了重要参考。二、研究了一种基于芴和咔唑分子构建的共价纳米格子聚合物（PG-Cz）的单分子力学性质,获得两种不同类型的拉伸曲线,一种带有锯齿状平台,另一种呈现单峰形态（即力值随拉伸单调上升）。采用线形聚芴分子作为对比,只获得单峰形力曲线,表明PG-Cz体系中的锯齿状力学信号来自格子拓扑结构。结合计算机模拟,我们将这种力学性质的差异归因于格子结构中的四个长链取代基的空间取向以及相邻格子间的连接方式不同所致。力曲线中的锯齿来源于力诱导下,格子形状的改变导致的长度释放。往复拉伸实验表明聚合物链在经历多次拉伸-松弛循环后,仍能回复至初始态结构,该转变过程可逆。动态力学谱实验表明,该构象转变的力值随着拉伸速率的增加而增大。通过Bell-Evans模型拟合并计算得到纳米格的构象转变过程的速率常数koff为11.68 s-1,而基态到过渡态的距离Xβ大约为0.115 nm。作为对比,进一步探究了一种含有动态共价键的、较小尺寸环形结构聚合物链（聚螺噻喃）的纳米力学性质。与上述较大尺寸的聚格子体系不同,我们观察到了外力诱导下环形结构打开过程,力曲线在400 pN出现了短的“肩式”平台而不是锯齿状平台,这种差异被归因于聚螺噻喃体系中较小的环形结构及隐藏长度,导致其开环伸长率较低。通过Bell-Evans模型对力曲线进行拟合,获得了开环过程的动力学参数,koff为1.0×10-6s-1,而基态到过渡态的距离Xβ大约为0.21 nm。该体系非常小的koff值(远小于格子体系的11.68 s-1),表明在自然状态下开环反应比格子构象转变更难发生。三、系统探究了含配位作用所驱动形成环形结构的超分子聚合物体系的纳米力学性质。在受到外力拉伸时,环形结构中的配位键会发生连续断裂,并伴随着环形结构中隐藏长度的释放,产生锯齿形平台力曲线。量子化学计算结果也证实了环形拓扑结构在受到外力时的变化过程。通过往复拉伸实验,原位观测到了已断裂的配位键（亦即环形拓扑结构）的重新形成。基于这种多聚环形拓扑结构的力学指纹谱,我们精准测量了三联吡啶与铁离子(Fe2+)的络合强度,所得数值大约是利用过去方法获得数值的三倍。通过不同速率下的动态力谱实验,获得了三联吡啶与铁离子(Fe2+)解离速率常数koff为8.09×10-3s-1,及基态到过渡态的距离Xβ大约为0.066 nm。该解离速率常数比上面的动态共价键体系高约四个数量级,表明在不受外力的情况下,基于配位键的环形拓扑结构的稳定性要弱于动态共价键体系。此外,还发现配位离子的种类对环形结构的稳定性有很大影响,且去除配位金属离子可以阻止环形拓扑结构的形成,力曲线呈单调上升的单峰形态。该研究结果将有助于设计、制备高性能的金属配位超分子聚合物功能材料。