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不列顛哥倫比亞大學(xué)姜鋒教授/中國(guó)林科院林化所劉鶴研究員 AM：強(qiáng)韌水凝膠構(gòu)建的通用法則 - 纖維素納米晶水合效應(yīng)調(diào)控微相分離
2025-01-02  來(lái)源：高分子科技

  近年來(lái)，鹽結(jié)晶誘導(dǎo)微相分離在增強(qiáng)的水凝膠力學(xué)性能方面受到廣泛關(guān)注，但此類(lèi)方法通常因嚴(yán)重的相分離而削弱水凝膠的彈性和韌性，存在顯著局限性。針對(duì)此關(guān)鍵問(wèn)題，不列顛哥倫比亞大學(xué)姜鋒教授和中國(guó)林科院林化所劉鶴研究員創(chuàng)新性地提出了一種通用的相工程策略，利用纖維素納米晶（CNC）調(diào)控乙酸鈉（NaAc）結(jié)晶誘導(dǎo)的微相分離，成功制備出兼具高強(qiáng)度、高韌性、高延展性和抗疲勞性的纖維素復(fù)合水凝膠（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)添加NaAc會(huì)因NaAc·3H2O晶體的形成引發(fā)嚴(yán)重的微相分離，從而制得剛性且缺乏彈性的水凝膠。而通過(guò)引入CNC，其獨(dú)特的水合效應(yīng)能夠競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合晶體中的水分子，有效緩解微相分離，成功實(shí)現(xiàn)了剛性水凝膠向彈性、強(qiáng)韌且耐疲勞水凝膠的轉(zhuǎn)變（圖2）。


圖1 強(qiáng)韌水凝膠的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)特征


圖2 水凝膠的微結(jié)構(gòu)和相互作用的演變


  基于這一水凝膠強(qiáng)韌化策略，制備的PAAm/NaAc/CNC水凝膠展現(xiàn)出前所未有的綜合性能，包括拉伸強(qiáng)度（1.8 MPa）、可拉伸性（4730%）、韌性（43.1 MJ m?3）、斷裂能（75.4 kJ m?2）和疲勞閾值（3884.7 J m?2）（圖3和圖4）。此外，CNC水合效應(yīng)調(diào)控微相分離的設(shè)計(jì)策略適用于多種高分子網(wǎng)絡(luò)體系（如PAAm、PAA、P(AA-co-Am)、明膠和藻酸鹽等），顯著提升了各類(lèi)水凝膠的體積韌性和斷裂韌性，增強(qiáng)幅度達(dá)10至300倍（圖5）。這一研究不僅深化了纖維素在調(diào)控軟材料結(jié)構(gòu)與性能中的核心作用，同時(shí)也為未來(lái)高性能水凝膠的設(shè)計(jì)提供了新思路和新方法。


圖3 水凝膠的壓縮和拉伸性能


圖4 水凝膠的斷裂韌性和疲勞抗性


圖5 水凝膠強(qiáng)韌化策略的通用性


  該工作以“A Universal Strategy to Mitigate Microphase Separation via Cellulose Nanocrystal Hydration in Fabricating Strong, Tough, and Fatigue-Resistant Hydrogels”為題發(fā)表于期刊Advanced Materials上（10.1002/adma.202416916）。該工作由中國(guó)林科院林化所和不列顛哥倫比亞大學(xué)合作完成，聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生王思恒為論文第一作者，中國(guó)林科院林化所劉鶴研究員和不列顛哥倫比亞大學(xué)姜鋒教授為論文共同通訊作者。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202416916

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