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南開關(guān)英/天工大張擁軍教授《Nat. Commun.》:優(yōu)異綜合性能凝膠
2022-11-06  來源:高分子科技

  合成高分子水凝膠機(jī)械性能差的問題嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用,為此人們提出了很多改進(jìn)策略,設(shè)計(jì)制備了許多高強(qiáng)度水凝膠。這些凝膠的某些指標(biāo)甚至已大大超過了生物凝膠。但這些凝膠在某些性能得到改進(jìn)的同時(shí),另一性能往往差強(qiáng)人意。例如雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠具有良好的韌性和延展性,但可回復(fù)性(resilience)往往較差。此外水凝膠還存在失水和低溫結(jié)冰的問題。設(shè)計(jì)合成同時(shí)具備高韌性、高延展性、高回彈性、高粘性、抗凍、抗干等性能的綜合性能優(yōu)異的凝膠材料仍是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。


  最近,南開大學(xué)關(guān)英、天津工業(yè)大學(xué)張擁軍等設(shè)計(jì)制備了多肽交聯(lián)的深共晶凝膠。由于引入α-螺旋多肽結(jié)構(gòu),并用深共晶溶劑取代水為溶劑,因此表現(xiàn)出一系列優(yōu)異性能,包括:


  (1)高韌性和高延展性。以A0.4PC221%[ChCl][EG]凝膠為例,其韌性(toughness)達(dá)10.6MJm?3 ,比BIS交聯(lián)凝膠增加45倍。斷裂伸長率達(dá)1860%,比BIS交聯(lián)凝膠增加6倍。



   (2)高可回復(fù)性(resilience)。由于其其獨(dú)特的能量耗散機(jī)制,與普通增強(qiáng)機(jī)制不同,多肽增強(qiáng)凝膠在提高韌性的同時(shí)仍能保持高可回復(fù)性,其Resilience高達(dá)99.1% (100% strain)。 




  (3)高粘性。粘附強(qiáng)度達(dá)112.4 kPa?梢院芎谜掣浇饘、玻璃、陶瓷、皮膚等多種材料。 



  (4)裂紋不敏感。在2.5mm長切口存在條件下斷裂伸長率仍達(dá)730%。斷裂韌性(fracture toughness)高達(dá)13,600 Jm?2, 是單網(wǎng)絡(luò)凝膠最高值。 



  (5)優(yōu)異抗凍性能,在-27oC下仍保持柔性。 




  (6)優(yōu)異抗干性能。在環(huán)境條件下儲存30天質(zhì)量損失僅為1.4%,其外觀和性能幾乎不變。 



  由于凝膠的高回復(fù)性和高環(huán)境穩(wěn)定性,該凝膠在進(jìn)行耗時(shí)長達(dá)137小時(shí)(5.7天)、連續(xù)1萬次加載-卸載循環(huán)拉伸測試中信號高度穩(wěn)定: 



  因此用于應(yīng)變/壓力傳感信號長期保持高度穩(wěn)定,并能在-20oC - 80oC的寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作,是高度可靠的應(yīng)變/壓力傳感器: 



  這一工作已于近日在Nature Communications在線發(fā)表。第一作者為張巖博士,通訊作者為關(guān)英副教授和張擁軍教授。


  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-34522-z

  點(diǎn)擊https://rdcu.be/cY0UT可下載原文。

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