中科院材料所在超分子形狀記憶水凝膠方面取得重要進(jìn)展
2016-07-11 來源:中國聚合物網(wǎng)
形狀記憶高分子材料是指具有保持臨時(shí)變形形狀的能力,當(dāng)受到外界刺激后,可以恢復(fù)到初始形狀,從而表現(xiàn)出對(duì)初始形狀具有記憶功能的一類智能高分子材料。與形狀記憶合金和形狀記憶陶瓷相比,形狀記憶高分子材料具有密度低、可恢復(fù)形變量大、易加工成型、形變溫度可調(diào)等諸多優(yōu)點(diǎn),因而這類材料在柔性電子、生物醫(yī)藥、航空航天等領(lǐng)域存在廣泛的應(yīng)用前景。目前發(fā)展的形狀記憶高分子材料主要是熱致形狀記憶高分子,即在熱刺激下可以恢復(fù)到初始形狀,在某些領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的局限性。開發(fā)新的記憶存儲(chǔ)方式和實(shí)現(xiàn)多重形狀記憶功能顯得尤為重要。
近年來,隨著超分子科學(xué)的發(fā)展,具有特殊的可逆性和高度的動(dòng)態(tài)性的超分子作用力,如金屬配位作用、主-客體作用和動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵等在制備結(jié)構(gòu)規(guī)整、性質(zhì)可控功能材料方面表現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳濤研究員的智能高分子材料團(tuán)隊(duì)將超分子作用引入形狀記憶高分子材料,制備了具有自修復(fù)功能的形狀記憶高分子材料(Chem. Commun. 2014, 50,12277)。通過對(duì)超分子作用體系的選擇,還可獲得具有生物分子響應(yīng)的形狀記憶高分子材料,并且材料的形狀恢復(fù)時(shí)間可大大縮短(Macromol. Rapid Commun. 2015, 36, 533)。
但是我們注意到,目前基于超分子作用的形狀記憶高分子材料的設(shè)計(jì)尚處于起步階段,材料普遍存在力學(xué)性能較差,且只能記憶一個(gè)臨時(shí)形狀等不足。該團(tuán)隊(duì)在前期研究基礎(chǔ)上,通過將可有效提升水凝膠力學(xué)性能的雙網(wǎng)絡(luò)概念引入基于超分子的形狀記憶高分子材料,并進(jìn)一步發(fā)揮超分子體系的設(shè)計(jì),最近他們又成功構(gòu)筑了具有良好力學(xué)性能,且可實(shí)現(xiàn)三重形狀記憶功能的雙網(wǎng)絡(luò)超分子水凝膠(Chemical Science, 2016, DOI: 10.1039/C6SC02354A)。
在該體系中,通過將接枝了苯硼酸的海藻酸鈉(Alg-PBA),丙烯酰胺(AAm)、聚乙烯醇(PVA)混合,通過AAm的聚合形成第一重網(wǎng)絡(luò)(PAAm),然后調(diào)節(jié)pH生成動(dòng)態(tài)硼酸酯鍵,從而形成第二重網(wǎng)絡(luò)(Alg-PBA-PVA)。在水凝膠受到外力時(shí),動(dòng)態(tài)Alg-PBA-PVA網(wǎng)絡(luò)受到破壞,從而耗散能量,達(dá)到提升水凝膠力學(xué)性能的結(jié)果。通過調(diào)節(jié)Alg-PBA-PVA動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)與PAAm化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的比率,可以得到一系列具有較好力學(xué)性能且大小可調(diào)的水凝膠。
由于動(dòng)態(tài)硼酸酯鍵具有pH響應(yīng)性,可以利用其作為臨時(shí)交聯(lián)點(diǎn)使水凝膠保持臨時(shí)形狀,從而實(shí)現(xiàn)形狀記憶功能。此外,海藻酸鈉和金屬離子(Ca2+)的配位作用也可以作為臨時(shí)交聯(lián)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)形狀記憶功能。鑒于這兩種形狀記憶方式互不干擾,將兩者結(jié)合,則可以實(shí)現(xiàn)宏觀/微觀三重形狀記憶功能(圖二)。
此外,動(dòng)態(tài)硼酸酯鍵還可以賦予水凝膠自修復(fù)性能。結(jié)合海藻酸-Ca2+的配位作用,科研人員實(shí)現(xiàn)了在自修復(fù)后進(jìn)行形狀記憶以及在形狀記憶過程中進(jìn)行自修復(fù)(圖三)。這一思路有助于人們理解生物體的功能并設(shè)計(jì)構(gòu)筑新型仿生材料。
研究工作得到了國家青年千人計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金(51303195, 21304105)及浙江省杰出青年基金(LR14B040001)等的資助。
近年來,隨著超分子科學(xué)的發(fā)展,具有特殊的可逆性和高度的動(dòng)態(tài)性的超分子作用力,如金屬配位作用、主-客體作用和動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵等在制備結(jié)構(gòu)規(guī)整、性質(zhì)可控功能材料方面表現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳濤研究員的智能高分子材料團(tuán)隊(duì)將超分子作用引入形狀記憶高分子材料,制備了具有自修復(fù)功能的形狀記憶高分子材料(Chem. Commun. 2014, 50,12277)。通過對(duì)超分子作用體系的選擇,還可獲得具有生物分子響應(yīng)的形狀記憶高分子材料,并且材料的形狀恢復(fù)時(shí)間可大大縮短(Macromol. Rapid Commun. 2015, 36, 533)。
但是我們注意到,目前基于超分子作用的形狀記憶高分子材料的設(shè)計(jì)尚處于起步階段,材料普遍存在力學(xué)性能較差,且只能記憶一個(gè)臨時(shí)形狀等不足。該團(tuán)隊(duì)在前期研究基礎(chǔ)上,通過將可有效提升水凝膠力學(xué)性能的雙網(wǎng)絡(luò)概念引入基于超分子的形狀記憶高分子材料,并進(jìn)一步發(fā)揮超分子體系的設(shè)計(jì),最近他們又成功構(gòu)筑了具有良好力學(xué)性能,且可實(shí)現(xiàn)三重形狀記憶功能的雙網(wǎng)絡(luò)超分子水凝膠(Chemical Science, 2016, DOI: 10.1039/C6SC02354A)。

圖一:雙網(wǎng)絡(luò)超分子水凝膠的制備和三重形狀記憶功能
在該體系中,通過將接枝了苯硼酸的海藻酸鈉(Alg-PBA),丙烯酰胺(AAm)、聚乙烯醇(PVA)混合,通過AAm的聚合形成第一重網(wǎng)絡(luò)(PAAm),然后調(diào)節(jié)pH生成動(dòng)態(tài)硼酸酯鍵,從而形成第二重網(wǎng)絡(luò)(Alg-PBA-PVA)。在水凝膠受到外力時(shí),動(dòng)態(tài)Alg-PBA-PVA網(wǎng)絡(luò)受到破壞,從而耗散能量,達(dá)到提升水凝膠力學(xué)性能的結(jié)果。通過調(diào)節(jié)Alg-PBA-PVA動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)與PAAm化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的比率,可以得到一系列具有較好力學(xué)性能且大小可調(diào)的水凝膠。
由于動(dòng)態(tài)硼酸酯鍵具有pH響應(yīng)性,可以利用其作為臨時(shí)交聯(lián)點(diǎn)使水凝膠保持臨時(shí)形狀,從而實(shí)現(xiàn)形狀記憶功能。此外,海藻酸鈉和金屬離子(Ca2+)的配位作用也可以作為臨時(shí)交聯(lián)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)形狀記憶功能。鑒于這兩種形狀記憶方式互不干擾,將兩者結(jié)合,則可以實(shí)現(xiàn)宏觀/微觀三重形狀記憶功能(圖二)。

圖二:三重形狀記憶功能(宏觀/微觀)
此外,動(dòng)態(tài)硼酸酯鍵還可以賦予水凝膠自修復(fù)性能。結(jié)合海藻酸-Ca2+的配位作用,科研人員實(shí)現(xiàn)了在自修復(fù)后進(jìn)行形狀記憶以及在形狀記憶過程中進(jìn)行自修復(fù)(圖三)。這一思路有助于人們理解生物體的功能并設(shè)計(jì)構(gòu)筑新型仿生材料。

圖三:形狀記憶與自修復(fù)相結(jié)合
研究工作得到了國家青年千人計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金(51303195, 21304105)及浙江省杰出青年基金(LR14B040001)等的資助。
版權(quán)與免責(zé)聲明:本網(wǎng)頁的內(nèi)容由中國聚合物網(wǎng)收集互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享,并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其真實(shí)性,也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺(tái),不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán),請(qǐng)聯(lián)系我們及時(shí)修改或刪除。郵箱:info@polymer.cn。未經(jīng)本網(wǎng)同意不得全文轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用上述作品。
(責(zé)任編輯:xu)
相關(guān)新聞
- 華南理工大學(xué)郭建華教授團(tuán)隊(duì) AFM:可多層組裝泡孔結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇/碳復(fù)合氣凝膠實(shí)現(xiàn)寬帶微波噪聲雙吸收和水下形狀記憶效應(yīng) 2025-05-14
- 浙大潘鵬舉/余承濤團(tuán)隊(duì) Adv. Mater.:基于聚合物熔融-重結(jié)晶構(gòu)筑自硬化形狀記憶材料 2025-05-10
- 華工郭建華、蔣興華團(tuán)隊(duì) CEJ:具有優(yōu)異吸波性能和紅外/微波刺激響應(yīng)形狀記憶功能的自修復(fù)型FCIP/RGO/PUU柔性復(fù)合材料 2025-04-20
- 寧波材料所陳濤、路偉/南工大朱寧 Angew:超分子纏結(jié)驅(qū)動(dòng)發(fā)光聚集體致密化實(shí)現(xiàn)具有超拉伸性和抗裂性的室溫磷光水凝膠 2025-05-20
- 天津大學(xué)宋東坡教授課題組 Angew:超分子瓶刷自組裝構(gòu)筑納米到微米跨尺度光學(xué)結(jié)構(gòu) 2025-05-15
- 化學(xué)所陳傳峰、韓瑩團(tuán)隊(duì) Angew:基于杯[3]二氫吖啶與受體鍵連聚合物超分子TADF材料的構(gòu)筑及在痕量苯快速可視化檢測(cè)中的應(yīng)用 2025-05-15
- 東華大學(xué)熊佳慶/周欣然 Adv. Mater.:光熱響應(yīng)氣凝膠-水凝膠二元仿生體系實(shí)現(xiàn)全天候水伏發(fā)電 2025-05-21