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北京工業(yè)大學(xué)趙治、宋曉艷教授團(tuán)隊(duì)《Chem. Mater.》：貝類絲足結(jié)構(gòu)仿生水凝膠實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的無(wú)水泥土壤加固
2022-12-01  來(lái)源：高分子科技

  利用水凝膠替代水泥類材料作為巖土穩(wěn)定劑具有良好的可持續(xù)性與環(huán)境價(jià)值。然而，水凝膠遇水吸脹機(jī)械性能大幅下降，故而其應(yīng)用場(chǎng)景收到很大局限。受到貝類絲足啟發(fā)，本研究開(kāi)發(fā)了一種具有良好水下穩(wěn)定性的仿生水凝膠巖土穩(wěn)定劑，在土壤中可自發(fā)形成類似貝類絲足的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異的抗溶脹性能，可在各種自然環(huán)境中保持巖土的穩(wěn)定性。此外，該材料展現(xiàn)出的透水、保水性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展也具有促進(jìn)作用。


圖1 貝類絲足與仿生水凝膠微觀結(jié)構(gòu)的對(duì)比


  近期，北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部趙治、宋曉艷教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種具有貝類絲足結(jié)構(gòu)的仿生水凝膠材料，并展示了其在可持續(xù)土壤加固中的應(yīng)用。該研究利用協(xié)同作用的分子間氫鍵與疏水團(tuán)聚作用，使水凝膠固化過(guò)程中自發(fā)形成具有纖維狀結(jié)構(gòu)的軟核和具有顆粒狀外觀的硬殼。同時(shí)，在表面親水性的影響下，與土壤顆粒接觸的界面處水凝膠會(huì)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并與土壤顆粒形成牢固結(jié)合。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)水凝膠與貝類絲足具有高度的微觀相似性（圖1）。貝類絲足的特征結(jié)構(gòu)使其可在沙灘、礁石等極度潮濕表面穩(wěn)定附著。與之相似，該仿生水凝膠材料也展現(xiàn)出極強(qiáng)的水下穩(wěn)定性與土壤加固能力。在浸泡72小時(shí)后，仿生水凝膠加固的土壤無(wú)明顯體積膨脹，其抗壓強(qiáng)度仍可保持在1 MPa左右。在環(huán)境測(cè)試中，仿生水凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性與光照穩(wěn)定性，并可使加固土壤達(dá)到最高2.9 MPa的抗壓強(qiáng)度，與波特蘭水泥相當(dāng)。此外，使用水凝膠加固劑還可賦予土壤良好的透水性與保水性，這對(duì)于生態(tài)環(huán)境中動(dòng)植物的生存具有重要意義（圖2）。綜上，本研究展現(xiàn)的仿生土壤加固劑充分借鑒了生物結(jié)構(gòu)的優(yōu)異機(jī)械特性與防水特性，使得在真實(shí)環(huán)境中應(yīng)用水凝膠加固土壤成為可能。利用該材料替代水泥有望減少水泥產(chǎn)業(yè)的碳排放、降低現(xiàn)有土壤加固方法對(duì)環(huán)境的影響，對(duì)可持續(xù)發(fā)展與實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。該工作以“Sustainable Cement-Free Soil Stabilization via a Mussel Mimicry, Water-Resistant Hydrogel”為題發(fā)表在《Chemistry of Materials》上（Chem. Mater., DOI: 10.1021/acs.chemmater.2c02350）。文章第一兼通訊作者是北京工業(yè)大學(xué)趙治教授，共同通訊作者是北京工業(yè)大學(xué)宋曉艷教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。 


圖2 仿生水凝膠土壤加固劑的環(huán)境測(cè)試


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c02350

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