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東北林大于海鵬教授、沈陽化工趙大偉教授《Adv. Sci.》：仿生多尺度設(shè)計(jì)策略用于構(gòu)建強(qiáng)韌且抗沖擊生物離子凝膠
2023-03-14  來源：高分子科技

  結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為開發(fā)具有理想機(jī)械性能的先進(jìn)軟材料提供了有效的解決方案。開發(fā)高性能離子凝膠已成為材料科學(xué)領(lǐng)域最令人興奮的前沿領(lǐng)域之一。然而，在離子凝膠中創(chuàng)建多尺度結(jié)構(gòu)以獲得強(qiáng)大的機(jī)械性能具有挑戰(zhàn)性。


  木質(zhì)纖維素與絲素纖維都是人們熟知的天然高分子聚合物，纖維素分子鏈上豐富的羥基結(jié)構(gòu)賦予其多元化的氫鍵拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)構(gòu)效設(shè)計(jì)，絲素纖維作為一種宏觀上強(qiáng)韌的纖維材料得益于其微觀上獨(dú)特的蛋白質(zhì)多尺度結(jié)構(gòu)，高度結(jié)晶的β折疊構(gòu)象賦予其優(yōu)越的剛度和韌性。因此可以在分子尺度調(diào)控設(shè)計(jì)兩種天然高分子物質(zhì)，賦予材料更新穎、更強(qiáng)大的性能。


  近日，東北林業(yè)大學(xué)碩士研究生曹凱玥（第一作者）提出了一種原位多尺度整合策略，最優(yōu)化地保留了絲素纖維宏觀的強(qiáng)悍機(jī)械特性，同時(shí)構(gòu)建的多尺度氫鍵拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)可進(jìn)一步強(qiáng)化凝膠材料的機(jī)械、電學(xué)等性能。作者利用可擴(kuò)展的離子熱刺激調(diào)控絲素纖維在纖維素分子凝膠體中的原位分裂與分子化，構(gòu)建出了一種多尺度結(jié)構(gòu)離子凝膠（M-gel）（圖1）。該M-gel顯示出由微纖維、納米原纖維和超分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)組合的跨尺度結(jié)構(gòu)優(yōu)勢（圖2）。當(dāng)使用該策略構(gòu)建由深海玻璃海綿啟發(fā)的M-gel時(shí)，開發(fā)的仿生M-gel表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，彈性模量高達(dá)31.5 MPa，斷裂強(qiáng)度可超6.5 MPa，韌性達(dá)到1540 kJ/m3，瞬時(shí)抗沖擊性可達(dá)3.07 kJ/m（圖3），綜合性能優(yōu)于大多數(shù)已報(bào)道的聚合物凝膠，甚至可與硬木相當(dāng)，為開發(fā)具有理想機(jī)械性能、抗沖擊性的先進(jìn)軟材料提供了有效的解決方案。同時(shí)，該策略可擴(kuò)展到其它生物聚合物，為高性能生物離子凝膠構(gòu)建提供了一種有前景的原位設(shè)計(jì)方法，可指導(dǎo)設(shè)計(jì)需要更大抗沖擊性或使用條件更苛刻的承重軟材料。該研究以“Bio-Inspired Multiscale Design for Strong and Tough Biological Ionogels”為題發(fā)表于最新一期《Advanced Science》期刊，文章通訊作者為東北林業(yè)大學(xué)于海鵬教授與沈陽化工大學(xué)趙大偉教授。 


圖1.M-gel的設(shè)計(jì)思路 


圖2.M-gel的多尺度結(jié)構(gòu)構(gòu)建 


圖3.仿生M-gel的機(jī)械性能和離子傳導(dǎo)性


  總結(jié)：作者提出了一種生物啟發(fā)的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)策略，通過整合綠色和生物相容的絲素蛋白和纖維素來開發(fā)高強(qiáng)度生物離子凝膠。絲素蛋白的多級結(jié)構(gòu)和纖維素分子凝膠體獨(dú)特的熱效應(yīng)賦予了離子凝膠材料多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行性。通過仿生加固設(shè)計(jì)和跨尺度物理化學(xué)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，所得M-gel具有優(yōu)異的力學(xué)性能及抗沖擊性能。這項(xiàng)工作將為仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開辟新的視角，以開發(fā)具有卓越力學(xué)性能的功能性和創(chuàng)新的離子凝膠材料，有助于擴(kuò)大其在智能保護(hù)裝置和穩(wěn)健生物電子學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。


  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202207233

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