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中山大學郭輝團隊《Mater. Horiz.》:模量調節幅度超36000倍的智能玻璃態水凝膠
2023-01-15  來源:高分子科技

  自然界的智能機體可以根據環境中小分子的改變而智能性的改變其力學性質。受其啟發,近年來科研工作者在仿生智能材料領域成果卓著。尤其,機械性能具有小分子刺激響應性的智能水凝膠材料備受矚目。在仿效自然的過程中,相關的研究報道頻出,但其與自然界的智能機體仍相去甚遠。首先,現有的智能凝膠的機械性質通常很難因小分子的引入而發生大幅的模量變化;其次,現有的水凝膠體系的體積通常會隨小分子的刺激而發生大幅變化,進而嚴重限制了材料的應用。因此,如何在不改變凝膠溶脹平衡體積的前提下,超大幅度調節其力學性質,成為一個亟待解決的科學問題。中山大學化工學院郭輝團隊近日發表的這篇《Mater. Horiz.,為實現該目的帶來全新思路和切實策略。


  作者首先通過其近期報道的玻璃態水凝膠普適高效制備方法(Chem. Eng. J. 2023457, 141280),合成了一系列具有橡膠態-玻璃態轉變的水凝膠材料。隨后,當這類凝膠接觸含有少量添加劑的水溶液后,凝膠的力學性能發生了巨大的改變(1)。例如,同種凝膠在受到不同小分子添加劑的刺激后,其楊氏模量會發生從0.0042 MPa150 MPa的轉變,變化超過36000倍。同時,其拉伸強度、拉伸功和斷裂伸長率也發生了大幅轉變。 


同種水凝膠在兩種不同的小分子刺激下的拉伸曲線、楊氏模量和拉伸強度對比。


  通過細致的實驗探究和機理分析,作者證實添加劑通過影響凝膠中的非共價相互作用,改變凝膠中剛性疏水區和柔性親水區域的強度,從而改變凝膠的玻璃化轉變溫度,進而在不改變溫度的情況下,智能調節凝膠的力學行為。同時,作者發現不同類型的小分子對凝膠機械性能的影響迥異。其中,無機添加劑多通過Hofmeister效應來調節凝膠親水結構的含水量;而有機添加劑同時影響親水和疏水區域的強度,從而調節水凝膠的機械行為(2)。 


水凝膠的機械性能對不同的無機小分子(a-c)和有機小分子(d-f)的響應性。


  基于此,本文開發了一種在幾乎不影響凝膠平衡體積的前提下,大幅調節凝膠機械行為的方式。其楊氏模量跨越從kPa到接近GPa的范圍,較之此前報道的凝膠優勢明顯(圖3)。因此,材料在柔性傳感、工業涂層等領域均展現出良好的應用前景。 


a-b)本工作凝膠的模量范圍、模量及體積變化率與已有凝膠的對比。


  相關工作以“Hydrogels with Ultra-Highly Additive Adjustable Toughness Under Quasi-Isochoric Condition”為題發表于《Materials Horizons》雜志。中山大學碩士生林新星為第一作者,中山大學化工學院郭輝副教授為通訊作者。


  全文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d2mh01451c

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(責任編輯:xu)
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