华南理工刘伟峰和广东工大邱学青《Nat. Commun.》:基于机械训练和木质素协同配位增强的人工肌肉功能弹性体复合材料


人体骨骼肌具有优异的机械训练自增强、应变硬化、智能驱动等综合特征,使得肌肉能够不断自我强化抵抗外界作用力,并能根据神经系统的电流信号对外做功来改造环境。受之启发的人工肌肉功能材料在医疗器械、机器人、智能驱动等领域具有重要的应用前景。但是,要把人体骨骼肌的这些优异特征全部集成到单一合成材料上是一个巨大的挑战。

华南理工刘伟峰和广东工大邱学青《Nat. Commun.》:基于机械训练和木质素协同配位增强的人工肌肉功能弹性体复合材料的图1

图1 人体骨骼肌基本特征


近日,华南理工大学刘伟峰和广东工业大学邱学青教授团队使用极其常见的三元乙丙橡胶(EPDM)和极其普通的工业木质素(一般人都不会注意它)为原料,利用木质素协同配位增强的功能,结合机械训练方法,首次构建出同时具备机械训练自增强、应变硬化和智能驱动等综合特征的人工肌肉功能材料。


华南理工刘伟峰和广东工大邱学青《Nat. Commun.》:基于机械训练和木质素协同配位增强的人工肌肉功能弹性体复合材料的图2

图2 人工肌肉制备和变形机理示意图


首先向EPDM基体内添加具有配位能力的木质素作为绿色增强剂,同时在木质素与EPDM相界面引入锌离子配位键,再通过反复的机械训练,促使配位交联网络重排,构建出具有局部链段稳定取向的EPDM复合材料。重构的配位交联网络不但能集中断裂耗散能量,而且能更有效促进链段取向结晶,使材料呈现机械训练自增强和应变硬化的特点。并且,EPDM特殊的链段微结构使复合材料能在外界热/电刺激下往复对外做功,执行应变可超过40%,执行应力高达1.5 MPa(人体骨骼肌的执行应变40%,执行应力0.35 MPa),能提起自身重量10000倍的重物,具有出色的对外做功能力。


华南理工刘伟峰和广东工大邱学青《Nat. Commun.》:基于机械训练和木质素协同配位增强的人工肌肉功能弹性体复合材料的图3

图3 人工肌肉智能驱动性能


这项工作的意义在于:


1、首次提出动态配位键与机械训练结合的策略,通过机械训练过程对配位键反复断裂重构,最终实现橡胶链段的局部稳定取向; 


2、利用木质素自身丰富的含氧极性官能团优势,提出木质素协同配位增强的策略,再次证明工业木质素这一废弃生物质资源可以构建功能性绿色高分子复合材料。


相关成果以“Biomimetic High Performance Artificial Muscle Built on Sacrificial Coordination Network and Mechanical Training Process”为题,近期发表在 Nature Communications上。论文第一作者为华南理工大学化学化工学院博士生涂志凯,华南理工大学刘伟峰和广东工业大学邱学青为论文共同通讯作者,华南理工大学机械学院博士后王晋为论文共同作者。成果得到国家自然科学基金项目(22038004, 22078116, 21706082)、广东省基金项目(2020B1111380002, 2019A1515012154, 2018B030311052)等资助。


原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23204-x


近年来,作者团队将木质素协同配位增强的策略应用到橡胶弹性体补强,制备了一系列高性能的木质素改性橡胶复合材料,可实现木质素对传统炭黑填料一半以上的替代,甚至可实现木质素替代传统塑料相、制备出以木质素为塑料相的热塑性弹性体复合材料,还可以实现木质素增强传统橡胶的功能化和智能化,相关成果获得了系列授权发明专利,欢迎交流合作。

1. Biomimetic High Performance Artificial Muscle Built on Sacrificial Coordination Network and Mechanical Training Process. Nature Communication 2021, 12, 2916.

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23204-x

2. High Performance Thermoplastic Elastomers with Biomass Lignin as Plastic Phase: ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 7, 6550–6560. 

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.8b04936

3. Effects of sacrificial coordination bonds on the mechanical performance of lignin-based thermoplastic elastomer composites: International Journal of Biological Macromolecules 2021, 66,  

https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.04.188

4. Lignin reinforced NBR/PVC composites via metal coordination interactions. Ind. Eng. Chem. Res. 2019, 58(51), 23114-23123. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.9b05198 

5. Lignin-reinforced ethylene-propylene-diene copolymer elastomer via hydrogen bonding interactions. Macromol. Mater. Eng. 2019, 304(4), 1800689.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/mame.201800689 

6. Bioinspired engineering towards tailoring advanced lignin/rubber elastomers. Polymers, 2018, 10(9), 1033.  

https://www.mdpi.com/2073-4360/10/9/1033


相关进展

华南理工刘伟峰和广东工大邱学青 ChemSusChem 封面:高强高韧全降解PVA抗菌膜

华南理工刘伟峰和广东工大邱学青团队:高强度、可重复使用、具有自愈合功能的木质素改性聚脲胶粘剂

华南理工大学邱学青和刘伟峰为水凝胶穿上盔甲:高强高韧高导电水凝胶

华南理工大学邱学青教授、刘伟峰副研究员在木质素/弹性体复合材料领域取得新进展

华南理工大学邱学青教授、刘伟峰副研究员在全降解木质素/高分子复合材料领域取得重要进展

华南理工大学邱学青教授团队在高性能木质素基聚氨酯弹性体研究上取得新进展

华南理工刘伟峰和广东工大邱学青《Nat. Commun.》:基于机械训练和木质素协同配位增强的人工肌肉功能弹性体复合材料的图4

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享,刊物或媒体如需转载,请联系邮箱:info@polymer.cn

华南理工刘伟峰和广东工大邱学青《Nat. Commun.》:基于机械训练和木质素协同配位增强的人工肌肉功能弹性体复合材料的图5
华南理工刘伟峰和广东工大邱学青《Nat. Commun.》:基于机械训练和木质素协同配位增强的人工肌肉功能弹性体复合材料的图6

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件(论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等)至info@polymer.cn,并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送,并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求,陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群,也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群,全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群,请先加审核微信号PolymerChina (或长按下方二维码),并请一定注明:高分子+姓名+单位+职称(或学位)+领域(或行业),否则不予受理,资格经过审核后入相关专业群。

华南理工刘伟峰和广东工大邱学青《Nat. Commun.》:基于机械训练和木质素协同配位增强的人工肌肉功能弹性体复合材料的图7

这里“阅读原文”,查看更多

材料

华南理工刘伟峰和广东工大邱学青《Nat. Commun.》:基于机械训练和木质素协同配位增强的人工肌肉功能弹性体复合材料的评论0条

    暂无评论

    华南理工刘伟峰和广东工大邱学青《Nat. Commun.》:基于机械训练和木质素协同配位增强的人工肌肉功能弹性体复合材料的相关视频课程

    华南理工刘伟峰和广东工大邱学青《Nat. Commun.》:基于机械训练和木质素协同配位增强的人工肌肉功能弹性体复合材料的相关案例教程

    近日,吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室张越涛教授课题组在热塑性弹性体的合成上取得新进展,相关成果以标题为“One-Step Synthesis of Lignin-Based Triblock Copolymers as High-Temperature and UV-Blocking Thermoplastic Elastomers”发表在最新一期Angew. Chem. Int. Ed上
    01 Jingkai Liu, Haoyang Feng, Jinyue Dai, et al. A Full-component recyclable Epoxy/BN thermal interface material with anisotropy high thermal conductivity and interface adaptability[J]. Chemical Engin
    拓扑化学聚合 (TCP) 是一种固态化学转化,即在一些外部的能量刺激下(如热或者光),单体将按照其晶体内部分子排列形式进行聚合。如TCP 得到有效利用,它将成为除ROMP 和 ATRP以外,可用于生成超高分子量 (数均分子量Mn > 106) 聚合物的有效“工具”。然而目前已报道的TCP 的化学反应有限,且多数所得聚合物溶解性差,这极大的限制了对TCP聚合产物的研究和后功能化。 近日,劳伦斯伯克利
    基于智能软材料的软体机器人具有和传统电机驱动的机器人类似的感知外界刺激,产生相应的驱动行为的能力,同时具有和生命体更加匹配的力学性能,更友好的人机交互界面,预期能更好地模拟自然界的各自生物运动模式,近年来受到了广泛的关注。随着其深入发展,人们提出了越来越高的期望,比如能够实现软体机器人驱动行为的按需重构是一个重要的发展方向。从材料角度,具有异质结构的驱动器是实现驱动的关键,异质结构往往通过化学交联
    具有簇聚诱导发光(CTE)性质的化合物因其结构可调性好、合成便捷、水溶性好、生物毒性小等优点已逐渐吸引越来越多学者的关注。圆偏振发光(CPL)在光电子学、非线性光学、三维显示、生物探针和数据记录等领域中具有重要的意义;然而尚未有基于纯有机CTE体系的CPL材料的报道。在以往的CTE相关研究中,其簇生色团往往以无序的方式团聚在一起而不表达手性,这限制了簇发光材料在该领域的应用。 基于利用自组装调控C
    影响力
    粉丝
    内容
    获赞
    收藏
      项目客服
      培训客服
      0 0