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蘭州化物所王齊華研究員團隊 Nat.Commun.：一種兼具形狀記憶輔助自修復和簇聚發光特性的高強韌聚氨酯材料

2023-08-10 來源：高分子科技

如何合理設計和調控聚合物分子間相互作用力，從而構筑具有優異力學性能（強韌一體化）的多功能聚合物材料（形狀記憶、自修復等）一直是聚合物領域的研究熱點。中國科學院蘭州化學物理研究所王齊華研究員科研團隊致力于高強高韌多功能聚合物材料的研究，在過去的兩年中，團隊設計合成了一系列基于非共價鍵相互作用的聚氨酯彈性體材料，這類材料不僅具有優異的力學性能（Adv. Mater. 2022, 2205763），還具有自修復功能（Chem. Eng. J. 2023，451(2)，138673；Polym. Chem. 2022，13(23)，3422-3432.）。

近期，該團隊通過利用氫鍵與配位鍵的協同作用和分級能量耗散機制，合成了具有優異力學性能和形狀記憶輔助自修復特性的聚氨酯-脲彈性體。作者通過調節金屬離子配位鍵和氫鍵的比例，獲得了一系列高強韌彈性體材料，其中具有最優性能彈性體的拉伸強度達到76.37 MPa，斷裂伸長率達到839.10%，韌性達到308.63 MJ m^?3（圖a），該彈性體還展現出了優異的形狀記憶功能，材料可在?50 °C固定獲得臨時形狀并在50 °C自動回復到初始形狀，表現出具有較高的形狀固定率與回復率；另外，刀片切出的裂紋可在DMF的輔助下在低溫40°C處理6h后完成修復，修復率達91.72%。結合Wool and O? Connor提出的裂紋修復理論，作者進一步證明了該彈性體材料形狀記憶輔助自修復的特性，發現具有裂紋的材料在形狀回復力的驅使下會促進裂紋的界面緊密貼合，并在溫度與溶劑的作用下促進分子鏈氫鍵和配位鍵的不斷交換與重新組合，最終實現材料的大面積裂紋的修復（圖b）。除此之外，由于發光簇基團在氫鍵作用下聚集，該材料亦具有簇聚發光的特性，在紫外光激發下可呈現青色熒光（圖c）。并且隨著溫度的升高，聚集的氫鍵逐漸解離，發光強度逐漸下降，進一步驗證了氫鍵的存在對簇聚光致發光性能的影響。

圖（a）彈性體材料的應力-應變曲線，（b）形狀記憶輔助自修復的機理，（c）彈性體材料在紫外光照射下的簇聚發光現象。

該研究工作借助非動態共價鍵協同調控實現彈性體材料多功能與高強高韌并存，為進一步設計構筑優異力學性能的多功能聚合物彈性體材料提供了研究思路。該工作以“A stretchable, mechanically robust polymer exhibiting shape-memory-assisted self-healing and clustering-triggered emission”為題發表在《Nature Communications》上（Nat Commun, 2023, 14, 4712），文章第一作者是中國科學院蘭州化學物理研究所在讀博士生王曉月。該研究得到了中科院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃、中科院青年創新促進會、國家自然科學基金項目等的支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40340-8

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（責任編輯：xu）

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