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北京林業(yè)大學李建章教授團隊 ACS Nano：熱刺激下的可編輯和形狀-顏色同步雙響應木材
2024-01-29  來源：高分子科技

  受生物對外界環(huán)境反應行為的啟發(fā)，刺激響應材料中的熱驅(qū)動形狀記憶材料因其可控性、適用性和智能性等，在傳感器、致動器和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域表現(xiàn)巨大的應用潛力，但其均一的結(jié)構(gòu)導致其力學性能較差。天然木材獨特的多尺度層級結(jié)構(gòu)使其成為增強形狀記憶材料力學性能的理想骨架，然而現(xiàn)有木基形狀記憶材料缺乏可編輯性和其他可擴展的智能響應特性（如性能可視化等），阻礙了其進一步發(fā)展。



圖1 SRW-TC的制備流程與性能優(yōu)勢


  近期，北京林業(yè)大學材料科學與技術(shù)學院李建章教授團隊通過熱致變色微膠囊(TCM)摻雜的vitrimers浸漬輕木脫木素骨架（圖1），制備了一種具有各向異性結(jié)構(gòu)和可交換共價自適應網(wǎng)絡的可編輯形狀-顏色雙響應木材(SRW-TC)，其具有輕質(zhì)、高強、隔熱、導光等特性，且兼具形狀記憶、可編輯、形狀-顏色同步雙響應特性。該雙響應智能木材在性能可視化、環(huán)境感知、材料交互性、信息雙加密、局部精確形狀和顏色調(diào)節(jié)等方面具有廣闊的智能應用前景。該工作以“Programmable and Shape-Color Synchronous Dual-Response Wood with Thermal Stimulus”為題發(fā)表在國際知名期刊《ACS Nano》上。 


圖2 微觀結(jié)構(gòu)、化學組成與光學性能


  如圖2所示，由于脫木素木材骨架（WS）與摻入TCM的vitrimers(TCV)間的結(jié)合緊密，所制得SRW-TC呈半透明紫紅色，紅外光譜證實了制備過程中顯著的脫木素效果與成功的巰基-環(huán)氧點擊反應。良好的界面結(jié)合使得SRW-TC具有良好的光學透明度、高霧霾與較高的紫外線吸收能力，有利于調(diào)節(jié)光照環(huán)境、保護室內(nèi)隱私且降低太陽輻射對人居環(huán)境的影響。同時，木材中的定向纖維排列賦予SRW-TC各向異性的光學特性，有望用于光管理材料，如增加光傳播范圍的節(jié)能建筑和具有強光漫射效果的光電器件。 


圖3 力學性能、增強機理與性能可視化


  由于層狀各向異性結(jié)構(gòu)和緊密的界面相互作用的相互協(xié)同，SRW和SRW-TC的力學性能均顯著增強（圖3a-b）。在外力作用下，裂紋偏轉(zhuǎn)和界面分層可擴展裂紋路徑，促進能量耗散，而裂紋分支和裂紋橋接可穩(wěn)定裂紋，避免應力集中，有利于強化和增韌（圖3c-e）。同時，由于不同溫度下的表觀顏色和機械性能差異，SRW-TC在25℃時呈紫紅色，抗拉強度為45.70 MPa，在40℃時變?yōu)榘咨，抗拉強度?/span>13.28 MPa，顏色差值為64.19，這表明溫度可以同時引起顏色和強度變化(圖3f-j)。研究發(fā)現(xiàn)可借助色差直觀判斷材料的力學性能差異，這表明SRW-TC能夠用作性能可視化材料。 


圖4 SRW-TC的形狀記憶與可編輯性能以及形狀-顏色雙響應協(xié)同關(guān)系


  如圖4所示，SRW-TC借助玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度對性能的影響，可實現(xiàn)臨時形狀的變換與形狀記憶，形狀記憶行為具有循環(huán)穩(wěn)定性，且TCM的引入可增加能耗途徑，進而對形狀記憶行為的速度產(chǎn)生輕微影響且對變形程度無不利影響。而借助拓撲轉(zhuǎn)變溫度以上的酯交換反應可通過動態(tài)共價網(wǎng)絡重排來實現(xiàn)SRW-TC形狀的編輯，這一特性使得SRW-TC可作為防眩光異形包覆材料。此外，SRW-TC還具有低導熱系數(shù)、形狀記憶-顏色變化的協(xié)同性與熱穩(wěn)定性等優(yōu)勢。 


圖5 SRW-TC的應用探索


  引入TCM使SRW-TC的外部溫度和內(nèi)部力學性能可視化，其中WS作為增強骨架，vitrimers賦予形狀記憶和可編輯特性，TCM用于環(huán)境和性能指示。由圖5可知，SRW-TC能夠可視化形狀記憶和剛性/柔性切換，并通過形狀-顏色同步雙響應感知外部熱刺激，成功證實其在溫度傳感、抓取物體、圖標信息加密/解碼等具有廣泛的應用潛力。該研究可為開發(fā)高性能多功能木基材料提供新的思路。


  北京林業(yè)大學博士研究生譚藝為第一作者，北京林業(yè)大學李建章教授、龔珊珊講師，中國林科院木材工業(yè)研究所盧蕓研究員為通訊作者，北京林業(yè)大學為第一完成單位。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFD0601205)、國家自然科學基金項目(31722011,32122058)、北京林業(yè)大學杰出青年人才培養(yǎng)項目(2019JQ03004)的資助。


  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c03607

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（責任編輯：xu）
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