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不列顛哥倫比亞大學姜鋒教授團隊 AFM：糖析法制備高性能水凝膠

2024-02-29 來源：高分子科技

水凝膠作為當前最火熱的材料之一，一直在各種應用領域受盡青睞。但其過高的自由水含量，讓它的性能和應用場景都受到了限制。最近不列顛哥倫比亞大學姜鋒教授團隊使用了生活中隨處可見的葡萄糖成功解決了這些問題，并命名為“糖析法”，為目前主流的鹽析法制備高強度凝膠提供了一個補充。此團隊發現，葡萄糖的添加不僅有助于促進水凝膠網絡的氫鍵和分子間相互作用，還能夠將一部分自由水轉化為結合水，賦予水凝膠出色的環境適應性。考慮其良好的力學，環境穩定性，以及導電性，這種糖析法制備的水凝膠被制備成多功能傳感器，在軟機器人領域展現出巨大的前景。此外，在使用乙醇溶劑處理后，其凝膠表現出優異的光敏機械傳感性能。此文作者通過機器學習模型建立了干涉色和力學拉伸精準的模型，為之后制備光敏機械傳感器奠定了基礎。值得一提的是，所有這些優秀特性都是通過添加綠色環保的葡萄糖實現的，無任何對健康和環境的負面影響。此論文以“Ultra-Stretchable and Environmentally Resilient Hydrogels Via Sugaring-Out Strategy for Soft Robotics Sensing”發表于 Advanced Functional Materials 上, 其第一作者為 Yuhang Ye博士，目前為賓夕法尼亞大學博士后研究員。

圖一.概念設計與假設驗證。a) 材料設計策略的示意圖；b) 分子動力學模擬快照，顯示三種不同的水凝膠組成；c) 通過分子動力學模擬計算的氫鍵數量；d) 具有不同葡萄糖含量的PAM和PAM-G水凝膠的FTIR光譜；e) 具有不同葡萄糖含量的PAM和PAM-G水凝膠的放大1H NMR光譜；f) 具有不同葡萄糖含量的PAM和PAM-G水凝膠的DSC曲線；g) 具有不同葡萄糖含量的水/葡萄糖溶液的1H NMR光譜

圖二.在零下溫度、環境條件和凍干條件下的環境耐受性。a) 具有不同葡萄糖含量的PAM-G水凝膠的離子導電性；b) 在25°C和?5°C下，PAM-G水凝膠（40 wt%）的離子導電性；c) 使用PAM-G（40%）水凝膠作為電路的一部分，LED燈的照明在25°C和?5°C的數字照片展示。d–f) 在環境條件下暴露24小時后，PAM和PAM-G水凝膠的剩余重量、機械性能和離子導電性的變化；g–i) 在凍干條件下暴露48小時后，PAM和PAM-G水凝膠的剩余重量、機械性能和離子導電性的變化。

圖三.溶劑抵抗性差和大分子構象變化引起的干擾色。a) 在與乙醇交換后，PAM-G水凝膠的外觀變化；b) 經乙醇處理后的PAM和PAM-G醇凝膠的機械性能；c) 示意圖說明了溶劑差誘導的相分離過程；d) 在交叉偏振器下，不同應變下PAM-G醇凝膠的顏色變化；e-g) 機器學習模型，用于建立CIE X、Y值與指定誤差條和相應應變之間的連續關系。

圖四.多功能軟機器人傳感器的應用。a) 氣動軟驅動器的工作機制以及PAM-G水凝膠集成用于感知彎曲角度和接觸力；b) 基于PAM-G水凝膠的應變傳感器在軟驅動器中對變化的施加壓力的阻變；c) 壓力、彎曲角度和相對阻變之間的相關性；d) 基于PAM-G水凝膠的壓力傳感器在軟驅動器中對施加壓力的阻變；e) 壓力、力和相對阻變之間的相關性；f) 數字照片展示軟抓手的構造和動作；g) 使用軟抓手抓取不同物體，并通過基于PAM-G水凝膠的多功能傳感器監測抓取過程；h) 軟驅動器伸展的工作機制的數字照片和示意圖；i) 在軟驅動器伸展過程中，基于PAM-G水凝膠的應變傳感器的阻變；j) 軟驅動器伸展過程中壓力、伸展和相對阻變之間的相關性。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202315184

不列顛哥倫比亞大學姜鋒教授團隊一直致力于制備高性能納米纖維素的凝膠，近年來已在此領域發表過多篇重要工作：

纖維素基離子導體綜述，Chemical Reviews 2024，123 (15), 9204-9264

糖析法制備水凝膠，Adv. Funct. Mater.2024, 2315184

全纖維素基水凝膠膠黏劑，The Innovation Materials, 2024, 1 (3), 100040

仿生環境響應性異質結構水凝膠, Mater. Horiz., 2023, 10, 2667-2676

用于離子皮膚的高環境穩定性離子凝膠, Adv. Funct. Mater.2023, 33, 2209787

界面工程制備的液態金屬水凝膠, Nano Energy 2022，99, 107374

綠色方法制備纖維素基水凝膠，Adv. Funct. Mater.2022，32，2202533

納米纖維素本征性能對于水凝膠性質的提高 Adv. Funct. Mater.2020, 30, 200343

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（責任編輯：xu）

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