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電子科大崔家喜團隊《Adv. Funct. Mater.》：水凝膠動態(tài)相變行為助力粘附和能量交換的應用
2023-03-29  來源：高分子科技

  壁虎的腳趾在粘附過程中主要是依賴多級且富集的微納結(jié)構(gòu)適應被粘附基底的粗糙表面，以增加真實有效的接觸面積從而提升范德華相互作用力達到強粘附的效果；蝸牛分泌的黏液通過脫水硬化過程形成強硬的冬蓋來鎖住粘附的界面，從而使蝸牛能夠粘附在各種物體表面。受此兩種自然粘附現(xiàn)象的啟發(fā)，電子科技大學崔家喜團隊利用過飽和水凝膠內(nèi)水合無機鹽的動態(tài)結(jié)晶-溶熔相變過程來增強凝膠的力學性能、粘附性能和能量交換。


  如圖1（a）所示，當柔軟過飽和水凝膠受晶種刺激引發(fā)后，會使材料轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨Y(jié)晶的硬質(zhì)復合材料，過程如“點石成金”般。水合無機鹽晶體在水凝膠內(nèi)部的動態(tài)生長過程被偏光顯微鏡完美記錄（圖1 b）。拉伸應力-應變曲線也表明水凝膠的結(jié)晶相變行為能極大的增強材料的力學表現(xiàn)。 


圖1. （a）水凝膠的結(jié)晶相變；（b）水凝膠內(nèi)部晶體生長的顯微形貌；（c）結(jié)晶相變增強的拉伸力學曲線。


  低模量的過飽和凝膠具有出色的受迫自形變能力，以增加材料與基底的有效接觸面積，如壁虎腳趾粘附一樣，圖2（a）顯示了過飽和凝膠對磨砂玻璃粗糙表面的自適應過程，低模量凝膠的自適應填充使得磨砂的玻璃變得透明（排除了空氣孔隙界面）；而后的誘發(fā)結(jié)晶相變過程使材料的模量急劇升高，鎖住了材料與基底的粘附界面，如蝸牛黏液的脫水硬化一樣，最終增強了水凝膠的粘附強度（圖2b）。此外，高能勢無定型態(tài)水凝膠向低能勢結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變過程中能量會以熱量的形式釋放以提升溫度，該過程可用于熱治療和熱致變色（圖2 c和d）。


 圖2. （a）過飽和水凝膠適應磨砂玻璃的粗糙表面及結(jié)晶相變-粘附界面互鎖過程；（b）7cm2的小搭橋粘附面積可以承載10kg的重物；結(jié)晶相變的釋能過程可用于的（c）熱治療和（d）熱致變色。


  該工作近期以方遠來博士（現(xiàn)成都大學高等研究院特聘研究員）為第一作者，崔家喜教授為通訊作者發(fā)表于《Advanced Functional Materials》。


  原文鏈接：Fang, Y., Xiong, X., Yang, L., Yang, W., Wang, H., Wu, Q., Liu, Q., Cui, J., Phase Change Hydrogels for Bio-Inspired Adhesion and Energy Exchange Applications. Adv. Funct. Mater. 2023, 2301505.

  https://doi.org/10.1002/adfm.202301505


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（責任編輯：xu）
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