搜索:  
川大微粘控团队 Comm. Mater.:跨尺度构象耦合实现材料性能按需调控和结构移植智造
2023-05-11  来源:高分子科技

  丝线缠绕是一种非常古老的材料加工策略,即便是科技发达的今天,我们依然喜欢借助这一简单方式将不可拉伸或者非弹性功能材料甚至器件缠绕到弹性体芯材上,从而获得本体不可拉伸材料的高度可拉伸或弹性特性。然而,时至今日,这一古老智慧背后的科学认识仍旧模糊。众所周知,高分子材料的机械性能从根本上依赖其化学结构与分子链的构象行为。这在聚合物链分子构象水平上已经得到充分认识,但在宏观材料水平上,构象的意义和价值还远未得到充分的认识。例如,螺旋结构材料的柔韧性、可拉伸性或者弹性通常被理解为变形,而非构象变化行为;但DNA分子双螺旋结构的变形行为却被习惯性地理解为分子链构象变化行为。这种对微观构象和宏观变形行为的习惯性分离思考,使得我们无法建立它们之间可能存在的共性联系。


1跨尺度构象行为以及具有构象耦合特征的螺旋构象复合材料设计


  基于上述思考,四川大学高分子科学与工程学院王宇、傅雪薇、杨伟团队在“驭变幻之象,塑功用之貌”指导思想下,重新思考了缠绕加工背后的科学,并基于缠绕加工提出螺旋构象复合材料(Helix-Fiber Composite, HFC)的概念(图1)。这种HFC本质是由宏观尺度的螺旋构象和微观尺度的分子链构象机械耦合而成。这种HFC可通过精准调控螺旋数和机械耦合强度从而调控其力学性能,并发现了其特殊的假弹性行为(Pseudo-elastic behavior)。作者对HFC的构象耦合机理进行了分析,并且进一步通过有限元数学模拟研究了HFC的耦合效应(图2)。 


2. HFC的构象耦合的模拟论证分析


  基于HFC构象耦合行为的理解,作者还探索了其在特殊功能材料设计和制备领域的应用。首先,基于螺旋构象耦合,实现了将不可拉伸材料或器件转化为可拉伸的复合材料,同时设计了一种具有可灵活调控激活应变的应变传感器(图3)。 


3基于HFC的应变传感器设计


  最后,作者还探索了HFC用作弹性模具的可能,以实现复杂结构的复制和移植。其加工原理是基于弹性体芯的构象拉伸变细现象,以及螺旋纤维与高分子基底的机械粘附力作用,实现缠绕纤维构象与弹性体构象解耦合,最终复制和移植所需的螺旋结构(4)。这将为特殊结构的设计和结构移植智造打开全新思路。 


4基于HFC构象解耦合的结构移植智造技术


  综上所述,作者通过对构象行为的跨尺度理解,尝试将微观分子链构象与宏观材料结构变形进行统一,并揭示了缠绕智慧背后的构象本质,为机械性能可编程材料、可拉伸或者弹性导体和器件、特种传感以及结构移植智造等多个领域发展提供新视角新思路。上述论文近期发表在Nature旗下新出材料类高水平开源期刊Communications Materials上。上述论文也得到了南开大学刘遵峰教授的指导和帮助。


  论文详细信息:Li, D., Zhu, Z., Zhao, Z. et al. Fabrication of helix–fiber composites with mechanically coupled core-wrapping for programmable properties. Comm. Mater 4, 28 (2023).


  文章链接:https://doi.org/10.1038/s43246-023-00355-6


微粘控团队(MAGIC-X Group)简介:


  王宇特聘研究员(团队PI)致力于微粘控技术(MAG Tech.)开发,并探索其在高分子微纳功能材料设计与加工、先进电池材料及器件设计与加工、构象复合材料的设计与智造三个方面的多学科交叉研究。迄今以第一或共同通讯作者,在国际知名期刊(如Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Letter, ACS Nano, Comm. Mater.等)发表SCI论文40余篇,部分工作得到了国际媒体的广泛关注(如ScienceDaily, ACS Headline Science)和杂志主编的亮点报道。申请美国专利9项(4项授权),其中一项发明专利荣获2020年度美国R&D 100 Award。申请中国专利7项(授权3项),受邀英文著作一章。目前担任中国流变学协会青年委员,国际能源化学领域著名期刊Journal of Energy Chemistry杂志青年编委。


  傅雪薇特聘副研究员(团队骨干),入选四川大学“双百人才工程”计划。2021年10月加入四川大学高分子科学与工程学院高分子材料加工工程系。从事的研究方向为天然功能高分子材料的微粘控加工及其在先进电池中的应用。迄今以第一或共同通讯作者在国际著名期刊Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials, Small等发表论文30余篇。


  杨伟教授(团队指导老师)主要从事聚合物加工过程中凝聚态结构的演化与控制、聚合物共混与复合新材料、聚合物先进功能材料等方面的研究。以通讯作者身份已在Adv. Mater., Sci. Adv., Materials Today, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Energy Storage Mater., ACS Nano, Macromolecules等国内外核心期刊上发表论文200余篇,其中SCI收录170余篇,申请国家发明专利39项,授权29项;主编著作1部;获省部级科研奖励1项。


  微粘控团队诚挚邀请对材料加工新思想、新原理和新技术感兴趣的有志之士加盟,共创微粘控技术未来(特别欢迎博士后加入)。


  课题组链接:https://www.x-mol.com/groups/Wang_Yu

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)
】【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