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北京林業(yè)大學(xué)李建章教授團(tuán)隊(duì) ACS Nano：熱刺激下的可編輯和形狀-顏色同步雙響應(yīng)木材
2024-01-29  來(lái)源：高分子科技

  受生物對(duì)外界環(huán)境反應(yīng)行為的啟發(fā)，刺激響應(yīng)材料中的熱驅(qū)動(dòng)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(dòng)器和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域表現(xiàn)巨大的應(yīng)用潛力，但其均一的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其力學(xué)性能較差。天然木材獨(dú)特的多尺度層級(jí)結(jié)構(gòu)使其成為增強(qiáng)形狀記憶材料力學(xué)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(kuò)展的智能響應(yīng)特性（如性能可視化等），阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展。



圖1 SRW-TC的制備流程與性能優(yōu)勢(shì)


  近期，北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院李建章教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(jià)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的可編輯形狀-顏色雙響應(yīng)木材(SRW-TC)，其具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、隔熱、導(dǎo)光等特性，且兼具形狀記憶、可編輯、形狀-顏色同步雙響應(yīng)特性。該雙響應(yīng)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(yīng)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(guó)際知名期刊《ACS Nano》上。 


圖2 微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成與光學(xué)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(shí)了制備過(guò)程中顯著的脫木素效果與成功的巰基-環(huán)氧點(diǎn)擊反應(yīng)。良好的界面結(jié)合使得SRW-TC具有良好的光學(xué)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(hù)室內(nèi)隱私且降低太陽(yáng)輻射對(duì)人居環(huán)境的影響。同時(shí)，木材中的定向纖維排列賦予SRW-TC各向異性的光學(xué)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(qiáng)光漫射效果的光電器件。 


圖3 力學(xué)性能、增強(qiáng)機(jī)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(xué)性能均顯著增強(qiáng)（圖3a-b）。在外力作用下，裂紋偏轉(zhuǎn)和界面分層可擴(kuò)展裂紋路徑，促進(jìn)能量耗散，而裂紋分支和裂紋橋接可穩(wěn)定裂紋，避免應(yīng)力集中，有利于強(qiáng)化和增韌（圖3c-e）。同時(shí)，由于不同溫度下的表觀顏色和機(jī)械性能差異，SRW-TC在25℃時(shí)呈紫紅色，抗拉強(qiáng)度為45.70 MPa，在40℃時(shí)變?yōu)榘咨，抗拉?qiáng)度為13.28 MPa，顏色差值為64.19，這表明溫度可以同時(shí)引起顏色和強(qiáng)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(xué)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(yīng)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(duì)性能的影響，可實(shí)現(xiàn)臨時(shí)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(jìn)而對(duì)形狀記憶行為的速度產(chǎn)生輕微影響且對(duì)變形程度無(wú)不利影響。而借助拓?fù)滢D(zhuǎn)變溫度以上的酯交換反應(yīng)可通過(guò)動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò)重排來(lái)實(shí)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(dǎo)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(shì)。 


圖5 SRW-TC的應(yīng)用探索


  引入TCM使SRW-TC的外部溫度和內(nèi)部力學(xué)性能可視化，其中WS作為增強(qiáng)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(guò)形狀-顏色同步雙響應(yīng)感知外部熱刺激，成功證實(shí)其在溫度傳感、抓取物體、圖標(biāo)信息加密/解碼等具有廣泛的應(yīng)用潛力。該研究可為開(kāi)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(xué)博士研究生譚藝為第一作者，北京林業(yè)大學(xué)李建章教授、龔珊珊講師，中國(guó)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(xué)為第一完成單位。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0601205)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31722011,32122058)、北京林業(yè)大學(xué)杰出青年人才培養(yǎng)項(xiàng)目(2019JQ03004)的資助。


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

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