通過簡單、通用的方法快速構(gòu)筑具有任意結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和可控直徑的管狀水凝膠結(jié)構(gòu)長期以來面臨著巨大的挑戰(zhàn)。近期，煙臺(tái)先進(jìn)材料與綠色制造山東省實(shí)驗(yàn)室（簡稱黃渤海實(shí)驗(yàn)室）精密制造材料與技術(shù)團(tuán)隊(duì)受蜘蛛絲變性能力的啟發(fā)，提出了一種通過高濃度堿誘導(dǎo)聚乙烯醇/離子液體（PVA/ILs）溶液絡(luò)合而實(shí)現(xiàn)快速凝膠化的新策略，即堿誘導(dǎo)分子聚集（AMA）以應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。該策略能快速制造出直徑可調(diào)、厚度可控、拉伸強(qiáng)度高達(dá)1.1MPa、斷裂伸長率超過600%的管狀水凝膠結(jié)構(gòu)。如圖1所示，與蜘蛛絲的流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)晶實(shí)現(xiàn)快速液-固轉(zhuǎn)變類似，通過堿誘導(dǎo)PVA分子鏈羥基的去質(zhì)子化并與離子液體中陽離子的絡(luò)合而實(shí)現(xiàn)快速凝膠化。分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，體系中的相變發(fā)生在0.5 ns以內(nèi)。更為重要的是，兩種溶液的擴(kuò)散具有方向性，即總是從堿擴(kuò)散向PVA/ILs中，這種特殊的具有方向性的擴(kuò)散使其能較易的通過擠出式3D打印制造腔體結(jié)構(gòu)，為簡單快速制造管狀水凝膠結(jié)構(gòu)提供了巨大的潛力。
圖1. 受蜘蛛絲的快速固化過程啟發(fā)，制備管狀水凝膠結(jié)構(gòu)的示意圖及分子動(dòng)力學(xué)模擬
圖2展示了PVA/ILs液體的流變學(xué)行為以及基于AMA策略的快速凝膠化能力。當(dāng)高濃度堿從打印針頭注射到PVA/ILs中后，由于特定的擴(kuò)散方向使其在針尖劃過的原始位置留下空腔，這種獨(dú)特的制備管狀水凝膠的方法是其他報(bào)道中不曾具備的。通過控制相關(guān)參數(shù)可以得到直徑在200-3000μm之間的管狀水凝膠，且具有制備復(fù)雜中空結(jié)構(gòu)模型的能力。
圖2. PVA/ILs溶液的流變學(xué)性能及在介質(zhì)中穩(wěn)定直書寫和制備中空水凝膠結(jié)構(gòu)。
原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d4mh01291g
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