东北林大于海鹏教授、沈阳化工赵大伟教授《Adv. Sci.》：仿生多尺度设计策略用于构建强韧且抗冲击生物离子凝胶

2023-03-14 来源：高分子科技

结构设计为开发具有理想机械性能的先进软材料提供了有效的解决方案。开发高性能离子凝胶已成为材料科学领域最令人兴奋的前沿领域之一。然而，在离子凝胶中创建多尺度结构以获得强大的机械性能具有挑战性。

木质纤维素与丝素纤维都是人们熟知的天然高分子聚合物，纤维素分子链上丰富的羟基结构赋予其多元化的氢键拓扑网络构效设计，丝素纤维作为一种宏观上强韧的纤维材料得益于其微观上独特的蛋白质多尺度结构，高度结晶的β折叠构象赋予其优越的刚度和韧性。因此可以在分子尺度调控设计两种天然高分子物质，赋予材料更新颖、更强大的性能。

近日，东北林业大学硕士研究生曹凯玥（第一作者）提出了一种原位多尺度整合策略，最优化地保留了丝素纤维宏观的强悍机械特性，同时构建的多尺度氢键拓扑网络可进一步强化凝胶材料的机械、电学等性能。作者利用可扩展的离子热刺激调控丝素纤维在纤维素分子凝胶体中的原位分裂与分子化，构建出了一种多尺度结构离子凝胶（M-gel）（图1）。该M-gel显示出由微纤维、纳米原纤维和超分子氢键网络组合的跨尺度结构优势（图2）。当使用该策略构建由深海玻璃海绵启发的M-gel时，开发的仿生M-gel表现出优异的机械性能，弹性模量高达31.5 MPa，断裂强度可超6.5 MPa，韧性达到1540 kJ/m³，瞬时抗冲击性可达3.07 kJ/m（图3），综合性能优于大多数已报道的聚合物凝胶，甚至可与硬木相当，为开发具有理想机械性能、抗冲击性的先进软材料提供了有效的解决方案。同时，该策略可扩展到其它生物聚合物，为高性能生物离子凝胶构建提供了一种有前景的原位设计方法，可指导设计需要更大抗冲击性或使用条件更苛刻的承重软材料。该研究以“Bio-Inspired Multiscale Design for Strong and Tough Biological Ionogels”为题发表于最新一期《Advanced Science》期刊，文章通讯作者为东北林业大学于海鹏教授与沈阳化工大学赵大伟教授。

图1.M-gel的设计思路

图2.M-gel的多尺度结构构建

图3.仿生M-gel的机械性能和离子传导性

总结：作者提出了一种生物启发的结构增强策略，通过整合绿色和生物相容的丝素蛋白和纤维素来开发高强度生物离子凝胶。丝素蛋白的多级结构和纤维素分子凝胶体独特的热效应赋予了离子凝胶材料多尺度结构设计可行性。通过仿生加固设计和跨尺度物理化学拓扑网络的构建，所得M-gel具有优异的力学性能及抗冲击性能。这项工作将为仿生结构设计开辟新的视角，以开发具有卓越力学性能的功能性和创新的离子凝胶材料，有助于扩大其在智能保护装置和稳健生物电子学领域的潜在应用。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202207233

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻