《自然·觀點材料》高級編輯喊話水凝膠,堅韌起來吧!

2020-12-10 騰訊網

在Nature雜誌旗下的ReviewsMaterials一欄有一則來自高級編輯Giulia Pacchioni博士很有趣的評論：Toughenedup堅韌起來吧！究竟，要什麼東西堅韌起來呢？答案是科研界研究火熱的軟物質材料「水凝膠」！3D網絡的水凝膠在軟體機器人，柔性電池，可穿戴設備，和生物醫學工程等新興領域具有強大的潛在應用價值。

常規聚合物會在其玻璃化轉變溫度之上軟化-考慮使用熟悉的塑料產品，例如乙烯基袋子和PET瓶子。先前，北海道大學水凝膠資深專家龔劍萍及其同事在《先進材料》雜誌上發表的論文『『Instant Thermal Switching from Soft Hydrogel to Rigid Plastics Inspired by Thermophile Proteins』』提出了一種聚合物，當溫度升高時，該聚合物會經歷可逆的快速從軟質水凝膠轉變為硬質塑料的過程。起始原料是一種廉價的無毒水凝膠，由含水的聚丙烯酸（PAAc）網絡組成，與吸水尿布中使用的聚合物相同。PAAc水凝膠通常不會發生熱相分離，但是當將凝膠浸入含有乙酸鈣（一種用作食品添加劑的鹽）的水溶液中時，鈣和乙酸根離子會擴散到凝膠中，與羧基形成鍵聚合物基團。疏水的乙酸酯部分在高溫下會脫水，由於降低了環境的相對介電常數，因而加強了羧基和鈣離子之間的離子鍵。疏水和離子相互作用之間的這種相互作用觸發了聚合物的強烈脫水，並且當溫度升高至60°C或更高時，脫水區域的水分會以兩種形式夾在中間。

越過轉變溫度，材料的剛度，強度和韌性急劇增加，而體積卻保持不變。透明和柔軟的凝膠變得不透明和僵硬。在60°C時，薄的凝膠片可以支撐10 kg的重量。這種熱硬化是可逆的，可以在多個周期內重複進行。

該論文的第一作者野山隆之（Takayuki Nonoyama）評論說：「我們偶然發現了這種現象。」 「我們的團隊專門研究基於犧牲性鍵結構的堅韌水凝膠，該結構優先在機械應力下破裂，耗散大量能量，因此使材料堅韌。」已知PAAc的羧基通過離子鍵與多價離子交聯。因此，可以預期該凝膠在鈣離子存在下會增韌，形成離子鍵，該離子鍵應作為可逆的犧牲鍵來耗散能量。然而，由於相對弱的離子鍵合，該凝膠在浸入氯化鈣溶液後僅顯示出弱的韌性增加。Nonoyama回憶說：「然後我們嘗試了醋酸鈣，該醋酸鈣可產生更強的離子鍵。」 「令人驚訝的是，該凝膠表現出了顯著的即時熱硬化性。」

系統的行為與聚合物相分離的低臨界溶液溫度有關。然而，具有相似的低臨界溶液溫度的其他水凝膠經歷非常緩慢的相分離，具有很小的剛度變化，並伴隨著大量的體積收縮。在新材料中觀察到的不同行為暗示了在起作用的另一機制：脫水誘導的玻璃態轉變，這是這種水凝膠特有的。這種轉變僅在高溫下具有強相分離能力的系統中發生，而這又是由疏水和離子相互作用的協同作用驅動的。

圖片來源：Adrienne Bresnahan/Moment/Getty

這種機制是自然界使生物能夠在高溫下生存的技巧之一。「我們注意到，生存在極端環境（如溫泉）中的細菌的組成蛋白比正常環境中的動物具有更多的帶電殘基和疏水性殘基，」龔說。「這意味著這些蛋白質採用與我們的水凝膠相同的分子策略來在高溫下保持穩定。」

「凝膠表現出了顯著的即時熱硬化性。」

該材料可用於吸熱或用於防護運動服。龔劍萍解釋說：「它可以用於在正常條件下柔軟且可拉伸的西裝，但在交通或體育賽事中產生摩擦熱時會立即變得僵硬。」在用玻璃纖維織物增強的凝膠複合材料上獲得的第一個結果是有希望的。

【編輯簡介】

Giulia於2011年獲得義大利米蘭大學的物理學碩士學位，論文的主題是將金屬團簇植入用於OLED器件的電致發光聚合物中。然後，她在瑞士洛桑聯邦理工學院的Harald Brune教授團隊完成了使用掃描隧道顯微鏡研究表面納米結構研究的博士學位。Giulia於2015年10月加入Springer Nature，發起了《自然·觀點材料》的發布。她在2018年領導了《Nature Reviews Physics》的啟動團隊，現在以高級編輯的身份回到《Nature Reviews Materials》。

Giulia主要負責量子材料，超導，拓撲材料，2D材料，超材料和結構材料領域。

參考文獻：

doi.org/10.1002/adma.201905878

版權聲明：「水凝膠」是由專業博士（後）創辦的非贏利性學術公眾號，旨在分享學習交流高分子聚合物材料學的研究進展。上述僅代表作者個人觀點且作者水平有限，如有科學不妥之處，請予以下方留言更正。如有侵權或引文不當請聯繫作者修正。商業轉載請聯繫編輯或頂端註明出處。感謝各位關注！

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