不列颠哥伦比亚大学姜锋教授团队《Mater. Horiz.》：纤维素3D打印新突破 - 用于信息加密及其软驱动器的异质结构水凝胶

2023-04-24 来源：高分子科技

自然界中具有既定模式的异质结构已经广泛刺激了仿生材料的蓬勃发展。然而，在水凝胶这一类的的软物质中构建出其具有良好的的机械性能和独特功能的协同作用仍然是一项挑战。近期，加拿大不列颠哥伦比亚大学 Feng Jiang 教授团队报道了一种简单而适应性强的策略，为其挑战提供了一种新思路。该论文以“Information encrypted heterogeneous hydrogel with programmable mechanical properties enabled by 3D patterning” 为题在《Material Horizons》期刊上发表，第一作者为博士生Yuhang Ye。

该工作利用由羟丙基纤维素（HPC）和纤维素纳米纤维（CNF）组成的二元全纤维素体系，通过3D打印在水凝胶内部构建出复杂结构。全纤维素基墨水（HPC/CNF）和极性亲水聚合物基质之间的强结合克服了水凝胶和骨架之间传统的界面不相容性，导致所产生的聚合物-骨架混合水凝胶的结构完整性显著增强。由于墨水具有很好的可打印性，在水凝胶内部里各种复杂的结构可以被完整构建，从而得到多方面的优点。比如，通过调整图案的几何形状，图案水凝胶-骨架混合材料的机械性能可以很容易地被调节。此外，HPC的热诱导聚集使所产生的水凝胶具有良好的热响应行为，这可以应用于信息加密及其变形材料等各种领域。这种由全纤维素墨水促进的三维图案技术可以为扩大水凝胶的机械性能和新功能提供一个有效而环保的途径，其制备出来的图案化水凝胶同时也可为新型设备的开发提供新的材料平台。

图1图案水凝胶的概念设计和材料合成。(a)自然界中存在的图案中；(b)材料合成的示意图。

图2. HPC/CNF墨水的3D打印能力以及水凝胶基质和图案骨架之间的界面作用。(a) HPC/CNF 油墨的物理外观；(b&c) 不同比例的 HPC/CNF 油墨的流变特性；(b) 储存模量（G′）和损失模量（G′′）与振荡应力的关系；(c) 稳态粘度与剪切率的关系；(d) 打印的不同图案；(e) 代表水凝胶基质和图案骨架之间的界面互动的数字照片。剪切率；（d）打印的不同图案；（e）代表变形后结构完整性和稳定性的数码照片；（f）代表PAM水凝胶和HPC/CNF相在不同拉伸和释放阶段的放大界面的显微图像片。

图3. 可编程的机械性能。(a&b)数字照片显示了不同几何形状的图案；(c)数字照片显示了在50°C下水凝胶内的图案的透明-不透明变化；(d)数字照片显示了图案相和水凝胶基体的同步变形，表明了良好的界面相互作用；(e) 不同水凝胶的拉伸应力-应变曲线；(f) 不同水凝胶的计算杨氏模量和(g) 断裂功；(h) 说明PAM和图案水凝胶的网络差异的示意图；(i) 图案D水凝胶的循环拉伸测试。

图4. HPC/CNF 油墨的热反应行为。(a) 数码照片显示 CNF/HPC 油墨的外观随着温度的升高/降低而变化；(b) HPC/CNF 在低于和高于 LCST 温度时的透光率变化；(c) HPC/CNF 油墨的透明度-不透明度-透光率循环；(d) HPC、CNF和HPC/CNF油墨的水动力直径随温度升高的变化；(e) HPC和HPC/CNF油墨在LCST温度以下和以上的光学显微镜图像；(f) HPC/CNF油墨的热响应行为机制示意图。

图5. 在信息加密中的应用。(a)表示水凝胶和图案相在加热时的微观结构变化的示意图；(b)显示受热刺激出现的隐藏兔子图案的数码照片；(c)显示基于图案的水凝胶的双重信息加密装置的机制的示意图和照片。

原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00234a

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（责任编辑：xu）

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