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蘭州化物所王齊華研究員團(tuán)隊(duì) Nat.Commun.：一種兼具形狀記憶輔助自修復(fù)和簇聚發(fā)光特性的高強(qiáng)韌聚氨酯材料
2023-08-10  來(lái)源：高分子科技

  如何合理設(shè)計(jì)和調(diào)控聚合物分子間相互作用力，從而構(gòu)筑具有優(yōu)異力學(xué)性能（強(qiáng)韌一體化）的多功能聚合物材料（形狀記憶、自修復(fù)等）一直是聚合物領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所王齊華研究員科研團(tuán)隊(duì)致力于高強(qiáng)高韌多功能聚合物材料的研究，在過(guò)去的兩年中，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了一系列基于非共價(jià)鍵相互作用的聚氨酯彈性體材料，這類(lèi)材料不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能（Adv. Mater. 2022, 2205763），還具有自修復(fù)功能（Chem. Eng. J. 2023，451(2)，138673；Polym. Chem. 2022，13(23)，3422-3432.）。


  近期，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)利用氫鍵與配位鍵的協(xié)同作用和分級(jí)能量耗散機(jī)制，合成了具有優(yōu)異力學(xué)性能和形狀記憶輔助自修復(fù)特性的聚氨酯-脲彈性體。作者通過(guò)調(diào)節(jié)金屬離子配位鍵和氫鍵的比例，獲得了一系列高強(qiáng)韌彈性體材料，其中具有最優(yōu)性能彈性體的拉伸強(qiáng)度達(dá)到76.37 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到839.10%，韌性達(dá)到308.63 MJ m?3（圖a），該彈性體還展現(xiàn)出了優(yōu)異的形狀記憶功能，材料可在?50 °C固定獲得臨時(shí)形狀并在50 °C自動(dòng)回復(fù)到初始形狀，表現(xiàn)出具有較高的形狀固定率與回復(fù)率；另外，刀片切出的裂紋可在DMF的輔助下在低溫40°C處理6h后完成修復(fù)，修復(fù)率達(dá)91.72%。結(jié)合Wool and O? Connor提出的裂紋修復(fù)理論，作者進(jìn)一步證明了該彈性體材料形狀記憶輔助自修復(fù)的特性，發(fā)現(xiàn)具有裂紋的材料在形狀回復(fù)力的驅(qū)使下會(huì)促進(jìn)裂紋的界面緊密貼合，并在溫度與溶劑的作用下促進(jìn)分子鏈氫鍵和配位鍵的不斷交換與重新組合，最終實(shí)現(xiàn)材料的大面積裂紋的修復(fù)（圖b）。除此之外，由于發(fā)光簇基團(tuán)在氫鍵作用下聚集，該材料亦具有簇聚發(fā)光的特性，在紫外光激發(fā)下可呈現(xiàn)青色熒光（圖c）。并且隨著溫度的升高，聚集的氫鍵逐漸解離，發(fā)光強(qiáng)度逐漸下降，進(jìn)一步驗(yàn)證了氫鍵的存在對(duì)簇聚光致發(fā)光性能的影響。


圖（a）彈性體材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，（b）形狀記憶輔助自修復(fù)的機(jī)理，（c）彈性體材料在紫外光照射下的簇聚發(fā)光現(xiàn)象。


  該研究工作借助非動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵協(xié)同調(diào)控實(shí)現(xiàn)彈性體材料多功能與高強(qiáng)高韌并存，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)構(gòu)筑優(yōu)異力學(xué)性能的多功能聚合物彈性體材料提供了研究思路。該工作以“A stretchable, mechanically robust polymer exhibiting shape-memory-assisted self-healing and clustering-triggered emission”為題發(fā)表在《Nature Communications》上（Nat Commun, 2023, 14, 4712），文章第一作者是中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所在讀博士生王曉月。該研究得到了中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等的支持。

 

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40340-8

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