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蘭州化物所超彈性水凝膠研究獲新進(jìn)展

研發(fā)快訊 2024年10月04日 15:29:30來源:蘭州化學(xué)物理研究所 21329
摘要近日,中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所提出了耗散能分子工程策略,該策略指強(qiáng)弱相互作用在分子水平上的互補(bǔ)性。

  【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近二十年,聚合物凝膠,尤其是水凝膠,其力學(xué)強(qiáng)度、韌性、疲勞和黏附等性質(zhì)的調(diào)控和提升已取得巨大進(jìn)步,體現(xiàn)在先進(jìn)的力學(xué)機(jī)制和構(gòu)造方法。然而,在力學(xué)強(qiáng)度和完美彈性之間尋求權(quán)衡仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。
 
圖1. 強(qiáng)韌水凝膠和超彈性水凝膠在力學(xué)機(jī)制和性能方面的差異
 
  近日,中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所提出了耗散能分子工程策略,該策略指強(qiáng)弱相互作用在分子水平上的互補(bǔ)性,即強(qiáng)相互作用(金屬配位鍵)提供力學(xué)強(qiáng)度,弱相互作用(氫鍵)消除屈服;進(jìn)一步在網(wǎng)絡(luò)中植入密集的鏈纏結(jié),從而實(shí)現(xiàn)完美的超彈性,填補(bǔ)了僅使用高階結(jié)構(gòu)(納米相分離、珍珠項(xiàng)鏈結(jié)構(gòu)和彈性蛋白)來設(shè)計(jì)超彈性水凝膠的空白。此外,這兩種相互作用在鍵合時(shí)間和鍵合能之間的互補(bǔ)性提供了具有可控范圍的力學(xué)性能調(diào)控窗口。
 
圖2. 耗散能分子工程策略構(gòu)建的超彈性水凝膠
 
  據(jù)報(bào)道,目前超彈性水凝膠的構(gòu)建策略大致可分為兩個(gè)模塊,一種是引入高階結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)工程策略,利用納米相分離、珍珠項(xiàng)鏈結(jié)構(gòu)和彈性體蛋白實(shí)現(xiàn)超彈性,這類研究目前還較少。另一種是該研究提出的耗散能分子工程,研究人員通過調(diào)控非共價(jià)相互作用來抵消在增強(qiáng)增韌過程中導(dǎo)致的屈服現(xiàn)象,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超彈性。
 
圖3. 構(gòu)建超彈性水凝膠的分子工程和結(jié)構(gòu)工程策略
 
  研究人員通過實(shí)驗(yàn)和理論分別驗(yàn)證了采用耗散能分子工程構(gòu)建的超彈性水凝膠。在實(shí)驗(yàn)視角上,超彈性水凝膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)完美的線性,直至斷裂;連續(xù)的壓縮測試呈現(xiàn)可忽略的滯后和超快時(shí)間尺度的回彈(通常在秒內(nèi)恢復(fù))。在理論視角上,第一性原理計(jì)算表面非共價(jià)相互作用之間的大結(jié)合能差有效為消除屈服提供調(diào)控策略,分子動(dòng)力學(xué)也表明這種超彈性歸因于弱氫鍵在小應(yīng)變階段作為主導(dǎo)的耗散能,強(qiáng)金屬配位鍵在大應(yīng)變階段作為主導(dǎo)的耗散能,熱力學(xué)穩(wěn)定的鏈纏結(jié)作為超彈性支撐。其具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度和線性彈性變形,同時(shí)具有優(yōu)異的抗溶脹能力、生物相容性、親水性和類皮膚的彈性模量。因此,該項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)彈性且堅(jiān)韌的聚合物凝膠提供了具有前途的概念和構(gòu)筑策略,并為工程凝膠材料的互不兼容的物理和化學(xué)性能帶來了新的視角。
 
圖4. 耗散能分子工程構(gòu)筑的超彈性水凝膠的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
 
圖5. 耗散能分子工程構(gòu)筑的超彈性水凝膠的作用機(jī)制
 
  相關(guān)研究工作以“Hydrogels with Hyperelasticity Engineered via Molecular Engineering of Dissipative Energy”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials(2024,2413334,https://doi.org/10.1002/adfm.202413334)上。中國科學(xué)院大學(xué)博士生許成功為該論文第一作者,中國科學(xué)院院士、蘭州化學(xué)物理研究所劉維民研究員,蘭州化物所黃金霞副研究員和湖北大學(xué)郭志光教授為共同通訊作者。
 
  該工作得到國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)等的支持。

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