中科院化学所邱东研究员团队 Adv. Mater.: 低回滞纳米复合水凝胶材料


高弹性材料在人类的技术发展进程中发挥了重要作用,比如人类社会早期发展的弹弓类武器或者陷阱等捕猎装置。弹性材料利用形变储存或释放能量,其储存或释放能量的幅度以及效率取决于弹性形变的程度以及形变过程中的能量耗散率。对于需要弹性材料重复做功的应用场景而言,尽量减小其形变过程中的能量耗散率可以最大限度地发挥这类材料的优势。然而,大形变往往与高能量损耗率相对应,成为一对共生的矛盾体。比如具备超大形变能力的聚合料弹性体材料,其超大形变能力往往建立在低交联密度基础上,由此会显著增加高分子链段的缠结程度,进而在形变过程中产生明显的能量耗散。虽然借助特殊的交联方式或者交联网络结构可以在一定程度上兼顾大形变与低能量耗散率,但是目前仍然缺乏通用的策略来解决这对矛盾。

中科院化学所邱东研究员团队 Adv. Mater.: 低回滞纳米复合水凝胶材料的图1


图1. 低回滞纳米复合水凝胶材料的结构示意及其力学行为。


针对以上问题,近期中科院化学所邱东研究员研究团队基于之前的研究成果,从高分子/纳米颗粒界面相互作用调控角度出发,通过将高度支化的二氧化硅纳米颗粒(比表面积高达1000 m2.g-1)引入适度化学交联的聚合物胶网络,利用高界面曲率和大比表面积的协同增强颗粒/高分子界面作用原理,形成以超支化二氧化硅颗粒为主要交联点的一类高含水量的纯弹性纳米复合水凝胶材料(图1)。在含水量达96 wt%的条件下,该类纳米复合水凝胶表现出高达11.5倍的断裂伸长率。由于消除了凝胶网络中的能量耗散机制(高分子链解缠结、共价键断裂等),此类纳米复合水凝胶在循环载荷作用下几乎没有任何应力回滞,表现出类似于弹簧的纯弹性力学行为。独特的弹性力学行为还赋予此类复合水凝胶材料优异的抗疲劳性质,例如动态载荷测试表明历经5000次循环拉伸处理后,此类纳米复合水凝胶依然能维持其交联网络的完整性,显示出与其初始状态几乎一致的力学行为。


中科院化学所邱东研究员团队 Adv. Mater.: 低回滞纳米复合水凝胶材料的图2


图2. 不同类型纳米颗粒复合水凝胶材料的应力松弛行为、动态流变行为、循环载荷下的应力-应变曲线以及小角中子散射原位表征结果及由此建立的微观结构示意图。


通过对比不同类型纳米颗粒增强水凝胶的应力松弛行为、动态流变行为以及循环载荷下的应力-应变曲线(图2),研究团队明确了高度支化的纳米颗粒作为主要交联点对于构建此类纯弹性水凝胶材料的关键作用,并进一步通过小角X射线散射以及小角中子散射在微观尺度上解释了此类纳米增强水凝胶材料纯弹性力学行为的根源。


中科院化学所邱东研究员团队 Adv. Mater.: 低回滞纳米复合水凝胶材料的图3


图3. 基于低回滞纳米复合水凝胶材料构建的离子型应力传感器在微小振动高精度检测中的应用。


最后,基于此类纳米复合水凝胶材料独特的纯弹性力学行为,研究团队还构建了离子型应变传感器,实现了对微小振动的高灵敏度检测(图3)。该工作以“Hysteresis-Free Nanoparticle-Reinforced Hydrogels”为标题发表在材料学期刊《Advanced Materials》上。相关研究成果为构建高弹性抗疲劳水凝胶材料提供了新的思路与解决方案。


论文的第一作者是中科院化学研究所的孟晓辉博士。通讯作者是中国科学院化学研究所高分子物理与化学实验室邱东研究员和美国马萨诸塞大学Amherst分校的Thomas P. Russell教授。该工作得到了美国橡树岭国家实验室、中国散裂中子源(东莞)小角中子散射线站工作人员的技术支持以及国家自然科学基金、国家重大研发计划的资金支持。


原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202108243


相关进展

中科院化学所邱东课题组与乔燕课题组合作《Adv. Mater.》:在构筑强韧水凝胶材料方面取得重要进展

中山大学邓文斌、高理钱《ACS AMI》:超短肽复合水凝胶用于药物缓释与促进糖尿病伤口愈合

中科院上海硅酸盐所吴成铁研究员团队Biomaterials:喷雾式β-FeSi2 复合水凝胶用于便携式皮肤肿瘤治疗和创面愈合

西安交大成一龙课题组《Chem. Mater.》: 抗疲劳断裂、高拉伸性氨基酸基高分子复合水凝胶

南科大杨灿辉课题组:强韧多孔纳米复合水凝胶用于水体修复

高分子材料

中科院化学所邱东研究员团队 Adv. Mater.: 低回滞纳米复合水凝胶材料的评论0条

    暂无评论

    中科院化学所邱东研究员团队 Adv. Mater.: 低回滞纳米复合水凝胶材料的相关视频课程

    中科院化学所邱东研究员团队 Adv. Mater.: 低回滞纳米复合水凝胶材料的相关案例教程

    人口老龄化对植介入医疗器械提出了紧迫需求。其间,在器械表面构筑亲水润滑涂层能够有效减小其与组织界面的摩擦力、降低手术操作难度、减小病人痛苦、延长器械使用寿命。水凝胶是一类具有典型湿滑特征的高分子材料,表面修饰水凝胶涂层可以有效改变材料与器械表面的润滑特征;但如何通过温和而可控的技术手段实现水凝胶材料的涂层化修饰仍然颇具挑战。目前报道的修饰水凝胶涂层的方法,如表面桥联、表面光引发、水凝胶涂料法等,都
    化石能源的加速消耗、能源需求的不断增长以及环境污染的日趋严重正在迫使人们去探索和使用清洁的可再生能源。在众多的可再生能源中,太阳能由于取之不尽、分布广泛且清洁无污染等优点而广受关注。在太阳能的利用中,通过半导体材料的光生伏打效应将光能直接转换成电能的太阳能电池是太阳能利用的重要形式。其中,第三代太阳能电池技术,特别是有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池,近年来受到广泛关注并取得了快速的发展。 喹喔啉(
    在组织发育与再生过程中,细胞和组织微环境(包括细胞间相互作用、可溶性因子和细胞外基质等)在调节细胞行为和组织功能方面发挥了关键作用。因此,模拟天然组织/细胞微环境的功能性生物材料在组织再生应用中具有巨大的潜力。其中,电活性生物材料,包括导电性材料和压电性材料,不仅能作为细胞粘附和结构支撑的支架,更重要的是能够可以同时调节细胞/组织的行为和功能。在此基础上,电刺激可以进一步调节许多生物学过程,从细胞
    光子学材料的合理设计与加工对于光子学技术的发展至关重要。结构化的光学材料可以作为光学微腔用来限域光子,在光子学和光电子学中发挥了重要作用,已广泛应用于微激光器、光学开关/滤波器、化学/生物传感器等领域。微腔与基底的光学隔离,即实现自支撑的微腔,对于减少微腔中的光泄露、提高微腔性能至关重要。目前的自支撑型光学微腔通常是通过专门的微加工技术获得的,包括沉积异质双层膜(上光层子学层和下层牺牲层),图案化
    光子学材料的合理设计与加工对于光子学技术的发展至关重要。结构化的光学材料可以作为光学微腔用来限域光子,在光子学和光电子学中发挥了重要作用,已广泛应用于微激光器、光学开关/滤波器、化学/生物传感器等领域。微腔与基底的光学隔离,即实现自支撑的微腔,对于减少微腔中的光泄露、提高微腔性能至关重要。目前的自支撑型光学微腔通常是通过专门的微加工技术获得的,包括沉积异质双层膜(上光层子学层和下层牺牲层),图案化
    影响力
    粉丝
    内容
    获赞
    收藏
      项目客服
      培训客服
      0 0