在過去的十幾年中，金屬配位、鹽析、溶劑交換、雙網(wǎng)絡和共聚等策略被廣泛應用于構(gòu)筑高強水凝膠的研究中，但在構(gòu)筑超高力學強度水凝膠方面仍面臨較大挑戰(zhàn)。纖維增強已成為設計高強水凝膠的可行策略，主要包括碳纖維、玻璃纖維、聚合物纖維和天然纖維。與合成纖維相比，可再生天然纖維具有碳足跡低、重量輕、成本低等優(yōu)點，被認為是滿足碳中和需求的理想增強相。然而，傳統(tǒng)的纖維增強策略主要采用的是非互連纖維。當纖維增強復合水凝膠受力時，非互連的纖維容易發(fā)生滑動甚至切斷水凝膠基質(zhì)，從而破壞纖維與基質(zhì)之間的協(xié)同作用，導致水凝膠快速失效。采用互連纖維網(wǎng)絡作為復合水凝膠增強相是一種很有前途的解決方案，可以克服這些挑戰(zhàn)并獲得更高的機械強度。
近日，武漢大學陳朝吉教授團隊聯(lián)合鄧紅兵教授與浙江大學龐震乾教授團隊提出了一種基于互連天然纖維網(wǎng)絡多尺度協(xié)同增強水凝膠的構(gòu)筑新策略。具體來說，共聚形成的聚合物網(wǎng)絡填充在中空纖維素纖維的內(nèi)部和外部并焊接了纖維連接處，從而與纖維建立了強健的界面及豐富的強氫鍵，實現(xiàn)跨尺度增強。這種水-纖維素-共聚物相互作用調(diào)節(jié)輔助的跨尺度增強策略適用于多種聚合物水凝膠，為設計高強水凝膠提供了一條實用的通用途徑。相關研究成果以題為“Super-Strong Hydrogel Reinforced by An Interconnected Hollow Microfiber Network Via Regulating the Water-Cellulose-Copolymer Interplay”發(fā)表在《Science Bulletin》上。
圖1. P(AA-AM)/Cel水凝膠的跨尺度增強構(gòu)筑策略及展示
圖2. P(AA-AM)/Cel水凝膠結(jié)構(gòu)和組分相互作用機制
圖3. P(AA-AM)/Cel水凝膠的機械性能
圖4. P(AA-AM)/Cel水凝膠的增強機制理解
圖5. P(AA-AM)/Cel水凝膠的大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)及策略的普適性
圖6. P(AA-AM)/Cel水凝膠的傳感性能展示
作者簡介
陳朝吉，武漢大學資源與環(huán)境科學學院教授、博士生導師。2015年博士畢業(yè)于華中科技大學，2015-2021年分別于華中科技大學與馬里蘭大學帕克分校從事博士后研究，并于2021年5月入職武漢大學資環(huán)學院組建X-Biomass課題組。從事生物質(zhì)材料（木材、竹材、纖維素、甲殼素等）的多尺度結(jié)構(gòu)設計、功能化及高值利用方面的研究，致力于以天然材料解決可持續(xù)發(fā)展面臨的材料-能源-環(huán)境挑戰(zhàn)。以第一/通訊作者（含同等貢獻）在Nature (2篇)、Science、Nature Reviews Materials、Nature Sustainability (2篇)、Nature Communications (6篇)等國內(nèi)外著名學術期刊上發(fā)表SCI論文100余篇，總引用33,000余次，H因子98，45篇論文入選ESI高被引論文，14篇（曾）入選熱點論文。獲科睿唯安“全球高被引科學家”（2021-2024連續(xù)四年入選材料科學領域）、斯坦福大學“全球前2%高被引科學家”終身影響力榜單、麻省理工科技評論亞太區(qū)“35歲以下科技創(chuàng)新35人”、“ACS KINGFA Young Investigator Award”、“中國化學會纖維素專業(yè)委員會青年學者獎”、“中國新銳科技人物卓越影響獎”、阿里巴巴達摩院“青橙優(yōu)秀入圍獎”、“Advanced Science青年科學家創(chuàng)新獎”、“R&D 100 Awards”等榮譽。擔任The Innovation Materials學術編輯，The Innovation、Research、SusMat、Environmental Science & Ecotechnology、Green Carbon、Molecules等雜志編委/青年編委，以及中國化學會纖維素專業(yè)委員會委員。
課題組網(wǎng)站：https://biomass.whu.edu.cn/index.htm
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.01.013
