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川大微粘控團(tuán)隊(duì) Comm. Mater.：跨尺度構(gòu)象耦合實(shí)現(xiàn)材料性能按需調(diào)控和結(jié)構(gòu)移植智造
2023-05-11  來(lái)源：高分子科技

  絲線纏繞是一種非常古老的材料加工策略，即便是科技發(fā)達(dá)的今天，我們依然喜歡借助這一簡(jiǎn)單方式將不可拉伸或者非彈性功能材料甚至器件纏繞到彈性體芯材上，從而獲得本體不可拉伸材料的高度可拉伸或彈性特性。然而，時(shí)至今日，這一古老智慧背后的科學(xué)認(rèn)識(shí)仍舊模糊。眾所周知，高分子材料的機(jī)械性能從根本上依賴其化學(xué)結(jié)構(gòu)與分子鏈的構(gòu)象行為。這在聚合物鏈分子構(gòu)象水平上已經(jīng)得到充分認(rèn)識(shí)，但在宏觀材料水平上，構(gòu)象的意義和價(jià)值還遠(yuǎn)未得到充分的認(rèn)識(shí)。例如，螺旋結(jié)構(gòu)材料的柔韌性、可拉伸性或者彈性通常被理解為變形，而非構(gòu)象變化行為；但DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的變形行為卻被習(xí)慣性地理解為分子鏈構(gòu)象變化行為。這種對(duì)微觀構(gòu)象和宏觀變形行為的習(xí)慣性分離思考，使得我們無(wú)法建立它們之間可能存在的共性聯(lián)系。


圖1. 跨尺度構(gòu)象行為以及具有構(gòu)象耦合特征的螺旋構(gòu)象復(fù)合材料設(shè)計(jì)


  基于上述思考，四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院王宇、傅雪薇、楊偉團(tuán)隊(duì)在“馭變幻之象，塑功用之貌”指導(dǎo)思想下，重新思考了纏繞加工背后的科學(xué)，并基于纏繞加工提出螺旋構(gòu)象復(fù)合材料（Helix-Fiber Composite, HFC）的概念（圖1）。這種HFC本質(zhì)是由宏觀尺度的螺旋構(gòu)象和微觀尺度的分子鏈構(gòu)象機(jī)械耦合而成。這種HFC可通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控螺旋數(shù)和機(jī)械耦合強(qiáng)度從而調(diào)控其力學(xué)性能，并發(fā)現(xiàn)了其特殊的假?gòu)椥孕袨椋?/span>Pseudo-elastic behavior）。作者對(duì)HFC的構(gòu)象耦合機(jī)理進(jìn)行了分析，并且進(jìn)一步通過(guò)有限元數(shù)學(xué)模擬研究了HFC的耦合效應(yīng)（圖2）。 


圖2. HFC的構(gòu)象耦合的模擬論證分析


  基于HFC構(gòu)象耦合行為的理解，作者還探索了其在特殊功能材料設(shè)計(jì)和制備領(lǐng)域的應(yīng)用。首先，基于螺旋構(gòu)象耦合，實(shí)現(xiàn)了將不可拉伸材料或器件轉(zhuǎn)化為可拉伸的復(fù)合材料，同時(shí)設(shè)計(jì)了一種具有可靈活調(diào)控激活應(yīng)變的應(yīng)變傳感器（圖3）。 


圖3. 基于HFC的應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)


  最后，作者還探索了HFC用作彈性模具的可能，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)制和移植。其加工原理是基于彈性體芯的構(gòu)象拉伸變細(xì)現(xiàn)象，以及螺旋纖維與高分子基底的機(jī)械粘附力作用，實(shí)現(xiàn)纏繞纖維構(gòu)象與彈性體構(gòu)象解耦合，最終復(fù)制和移植所需的螺旋結(jié)構(gòu)（圖4）。這將為特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)移植智造打開(kāi)全新思路。 


圖4. 基于HFC構(gòu)象解耦合的結(jié)構(gòu)移植智造技術(shù)


  綜上所述，作者通過(guò)對(duì)構(gòu)象行為的跨尺度理解，嘗試將微觀分子鏈構(gòu)象與宏觀材料結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行統(tǒng)一，并揭示了纏繞智慧背后的構(gòu)象本質(zhì)，為機(jī)械性能可編程材料、可拉伸或者彈性導(dǎo)體和器件、特種傳感以及結(jié)構(gòu)移植智造等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)展提供新視角新思路。上述論文近期發(fā)表在Nature旗下新出材料類高水平開(kāi)源期刊Communications Materials上。上述論文也得到了南開(kāi)大學(xué)劉遵峰教授的指導(dǎo)和幫助。


  論文詳細(xì)信息：Li, D., Zhu, Z., Zhao, Z. et al. Fabrication of helix–fiber composites with mechanically coupled core-wrapping for programmable properties. Comm. Mater 4, 28 (2023).


  文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s43246-023-00355-6


微粘控團(tuán)隊(duì)（MAGIC-X Group）簡(jiǎn)介：


  王宇特聘研究員（團(tuán)隊(duì)PI）致力于微粘控技術(shù)（MAG Tech.）開(kāi)發(fā)，并探索其在高分子微納功能材料設(shè)計(jì)與加工、先進(jìn)電池材料及器件設(shè)計(jì)與加工、構(gòu)象復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與智造三個(gè)方面的多學(xué)科交叉研究。迄今以第一或共同通訊作者，在國(guó)際知名期刊（如Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Letter, ACS Nano, Comm. Mater.等）發(fā)表SCI論文40余篇，部分工作得到了國(guó)際媒體的廣泛關(guān)注（如ScienceDaily, ACS Headline Science）和雜志主編的亮點(diǎn)報(bào)道。申請(qǐng)美國(guó)專利9項(xiàng)(4項(xiàng)授權(quán))，其中一項(xiàng)發(fā)明專利榮獲2020年度美國(guó)R&D 100 Award。申請(qǐng)中國(guó)專利7項(xiàng)（授權(quán)3項(xiàng)），受邀英文著作一章。目前擔(dān)任中國(guó)流變學(xué)協(xié)會(huì)青年委員，國(guó)際能源化學(xué)領(lǐng)域著名期刊Journal of Energy Chemistry雜志青年編委。


  傅雪薇特聘副研究員（團(tuán)隊(duì)骨干），入選四川大學(xué)“雙百人才工程”計(jì)劃。2021年10月加入四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院高分子材料加工工程系。從事的研究方向?yàn)樘烊还δ芨叻肿硬牧系奈⒄晨丶庸ぜ捌湓谙冗M(jìn)電池中的應(yīng)用。迄今以第一或共同通訊作者在國(guó)際著名期刊Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials, Small等發(fā)表論文30余篇。


  楊偉教授（團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)老師）主要從事聚合物加工過(guò)程中凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的演化與控制、聚合物共混與復(fù)合新材料、聚合物先進(jìn)功能材料等方面的研究。以通訊作者身份已在Adv. Mater., Sci. Adv., Materials Today, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Energy Storage Mater., ACS Nano, Macromolecules等國(guó)內(nèi)外核心期刊上發(fā)表論文200余篇，其中SCI收錄170余篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利39項(xiàng)，授權(quán)29項(xiàng)；主編著作1部；獲省部級(jí)科研獎(jiǎng)勵(lì)1項(xiàng)。


  微粘控團(tuán)隊(duì)誠(chéng)摯邀請(qǐng)對(duì)材料加工新思想、新原理和新技術(shù)感興趣的有志之士加盟，共創(chuàng)微粘控技術(shù)未來(lái)（特別歡迎博士后加入）。


  課題組鏈接：https://www.x-mol.com/groups/Wang_Yu

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（責(zé)任編輯：xu）
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