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四川大学《Adv. Mater.》:共价-非共价交织结构实现湿度响应驱动器3D几何形状室温加工与自修复
2019-04-17 来源:中国流变网    点击次数:68次    

  能够通过可逆的改变自身形状、体积或者力学性能来对外界刺激(如光、湿度、温度、pH、化学溶剂、电磁场等)做出智能响应的自驱动材料,受到国际学术界和工业界的高度关注,在软体机器人、生物医药等领域具有广阔的应用前景。通过结构仿生赋予智能驱动器丰富的驱动形式与新功能,是满足其在复杂条件下多功能应用的重要途径。目前虽已报道多种形状结构的驱动器实现了丰富的驱动形式,但实现其3D几何形状的加工条件苛刻,通常需要易挥发、有毒等化学试剂、精细加工设备或高温高压加工成型。此外,当驱动器材料遭受不可避免的外力破坏时,其力学性能和驱动性能将受到严重破坏,导致驱动性能永久性失效。

  针对现有智能驱动材料3D几何形状加工难、且不能重构和自修复等难题,在该团队前期关于超分子弹性体及其自修复柔性器件研究基础上( Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 8795; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1706658; Mater. Horiz., 2019, DOI: 10.1039/C8MH01624K),本研究采用亲水性良好的聚乙二醇(PEG)和力学性能良好的聚四氢呋喃醚(PTMG),通过化学合成-交联策略构筑了具有疏松共价交联与氢键交联双交织网络结构的生物基聚酯材料,如图1所示。

图一 (a) 共价-非共价交织结构生物基聚酯材料设计;(b) 广义二维红外相关光谱分析;(c)室温成型制备的多种3D结构

  由于PEG和PTMG良好的结晶性,该材料能够在室温附近发生结晶-熔融转变。他们通过广义的二维红外相关光谱分析揭示了该材料的室温成型机理:氢键解离能够诱导受限的结晶分子链易于扩散,同时疏松的共价交联网络能够限制分子链的进一步扩散,因此该材料能够在室温下(≤ 35 ℃)发生熔融转变,且保持较好的熔体强度,实现复杂3D仿生结构的室温成型与重构,如图1所示。

  他们通过调控共价-非共价交织网络赋予生物基聚酯出色的室温、快速自修复性能和优异力学性能,突破现有自修复材料力学性能和自修复性能难以兼顾的难题;同时,由于氢键独特的水敏感性以及材料结晶结构与共价交联网络的协同作用,使得生物基聚酯具有快速湿度驱动响应性。研究了室温加工多种3D仿生结构驱动器的不同湿度驱动行为,拓展其在生物医药、航空航天等复杂条件下的多功能化应用,如图2所示。

图二 (a) 生物基聚酯材料氢键自修复机理示意图;(a) 与现有驱动材料拉伸强度和自修复效率的对比;(c) 驱动材料在室温下的3D结构室温成型与重构演示;(d) 生物基聚酯材料湿度驱动机理示意图;(e) 爬行驱动机器人设计原理图;(f) 爬行机器人在湿度变化驱动下的驱动行为演示

  该工作发表在《先进材料》上,四川大学高分子研究所,高分子材料工程国家重点实验室张新星研究员周涛教授为论文的共同通讯作者。四川大学高分子研究所博士生曹杰为第一作者,三峡大学材料与化工学院周昌林副教授为共同第一作者,本研究工作得到国家自然科学基金(51873123, 51673121, 51603132, 51473104)的资助。

  论文链接:

  Jie Cao, Changlin Zhou, Gehong Su, Xinxing Zhang,* Tao Zhou,* Zehang Zhou,and Yibo Yang. Arbitrarily 3D Configurable Hygroscopic Robots with a Covalent–Noncovalent Interpenetrating Network and Self-Healing Ability. Adv. Mater. 2019, 1900042. 

  DOI: 10.1002/adma.201900042.

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201900042

 
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