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深圳大學黃思雅課題組 AFM：受蜘蛛絲啟發(fā)的具有應(yīng)變強化、高阻尼和超收縮性能的非均相超分子網(wǎng)絡(luò)
2023-08-23  來源：高分子科技

  為了適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，自然生物進化出了豐富的自適應(yīng)力學行為，如應(yīng)變增強、高阻尼和在自然環(huán)境條件下的響應(yīng)驅(qū)動特性。具有自適應(yīng)力學特性的先進智能材料在生物醫(yī)學領(lǐng)域和仿生設(shè)計中具有巨大的應(yīng)用前景。然而，設(shè)計并制備具有多種自適應(yīng)力學特性的智能材料仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。深圳大學黃思雅研究員課題組以蜘蛛絲的分子化學和結(jié)構(gòu)為靈感，通過蒸發(fā)誘導(dǎo)氫鍵大分子自組裝，構(gòu)建了一種具有多種自適應(yīng)性的異質(zhì)結(jié)構(gòu)超分子網(wǎng)絡(luò)。


  該工作采用一種條件溫和且環(huán)境友好的仿生制備策略，通過水溶劑揮發(fā)誘導(dǎo)單一大分子自組裝，構(gòu)建了具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)（圖1）。該超分子網(wǎng)絡(luò)由動態(tài)氫鍵締合而成的硬(結(jié)晶)相和軟(非晶)相組成，在制備方法、分子化學及結(jié)構(gòu)上均呈現(xiàn)出與蛛絲的相似性。 


圖1. 蜘蛛絲a)及超分子網(wǎng)絡(luò)b)的分子結(jié)構(gòu)示意圖。


  這種非均相超分子網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變、時間和濕度依賴特性，在寬范圍的應(yīng)變、應(yīng)變速率和濕度變化下展現(xiàn)出優(yōu)異的自適應(yīng)力學性能和形狀響應(yīng)特性（圖2和圖3）:拉伸率>130%，應(yīng)變強化下的模量提升6倍，在寬應(yīng)變速率范圍內(nèi)的能量耗散率>80%，以及濕度引發(fā)超收縮率>50%。這種在溫和的自然環(huán)境條件下具有多種自適應(yīng)力學特性的智能材料在軟體機器人、人工肌肉和生物醫(yī)學領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。該研究以題為“Spider-Silk-Inspired Heterogeneous Supramolecular Network with Strain-Stiffening, High Damping Capacity, and Supercontraction”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。深圳大學高等研究院研究生杜波彥為論文第一作者。該研究得到國家自然科學基金委和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目的支持。 


圖2. a)超分子網(wǎng)絡(luò)的J型應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其對應(yīng)的分子構(gòu)型示意圖。b)超分子網(wǎng)絡(luò)的雙官能度和多官能度交聯(lián)策略。c)不同交聯(lián)密度的雙官能度交聯(lián)超分子網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。d)不同濃度的多官能度交聯(lián)超分子網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
 

圖3. 超分子網(wǎng)絡(luò)在寬范圍應(yīng)變速率和濕度變化下的自適應(yīng)力學特性、高阻尼和超收縮行為。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202306071

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