製備出強收縮高能量密度水凝膠

2020-11-27 今日科學

本報訊 中科院蘭州化學物理研究所研究員周峰團隊與美國加州大學洛杉磯分校教授賀曦敏團隊合作，通過仿生青蛙跳躍過程中肌肉的加速機制，提出一種非常規驅動模式（彈性驅動），解決了傳統滲透型水凝膠驅動機制力和速度之間的矛盾，製備出一種強收縮高能量密度的水凝膠材料。相關研究近日發表於《科學進展》。

環境響應型水凝膠，又稱「刺激響應」或「智能」水凝膠，因其高的含水量、彈性、滲透性、外界刺激響應性和大的變形等優點，被廣泛應用於生物醫學、軟體機器人等領域。目前，大多數智能水凝膠的響應變形均憑藉凝膠體內和體外滲透壓的變化。然而，在這種滲透驅動機制下，凝膠材料的驅動力和響應速度間相互矛盾。要解決這一矛盾，需要從分子尺度設計並提出一種異於傳統「滲透型」水凝膠的非常規驅動機制。

此次周峰團隊等研發的彈性驅動型水凝膠與滲透驅動型水凝膠相比，具有側鏈觸發主鏈，主鏈自主收縮、彈性回彈，形變與網絡中水分子的傳輸無關等優點，其收縮強度和能量密度分別高於滲透型水凝膠10倍和1000倍。

該研究解決了傳統滲透型水凝膠長期存在的「速度和驅動力」之間的矛盾，突破了傳統滲透型水凝膠材料的能量密度極限，甚至與生物肌肉相當；新驅動機制將化學能直接轉換為機械能，減少了中間步驟的熱量產生和耗散，因而具有高的能量轉化效率；保持高響應速度的同時能夠產生大的收縮力；可重複多次編輯，編輯方式多樣，實現了可控的多穩態變形。

該研究為設計和製備強收縮、高能量密度、多形變模式的水凝膠材料提供了新策略。（柯訊）

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.abd2520

版權聲明：本文轉載僅僅是出於傳播信息的需要，並不意味著代表本網站觀點或證實其內容的真實性；如其他媒體、網站或個人從本網站轉載使用，須保留本網站註明的「來源」，並自負版權等法律責任；作者如果不希望被轉載或者聯繫轉載稿費等事宜，請與我們接洽。

相關焦點

  • 科研人員製備出強收縮高能量密度水凝膠材料
    ，提出一種非常規驅動模式（彈性驅動），解決了傳統滲透型水凝膠驅動機制力和速度之間的矛盾，製備出一種強收縮高能量密度的水凝膠材料，如圖2所示。與滲透驅動型水凝膠相比，彈性驅動型水凝膠具有側鏈觸發主鏈，主鏈自主收縮、彈性回彈，形變與網絡中水分子的傳輸無關等優點，其收縮強度和能量密度分別高於滲透型水凝膠10倍和1000倍。
  • 《Science子刊》可編程彈性反衝生物啟發高功率密度/強收縮水凝膠
    它可以在超高工作密度（15.3 kJ/m3）時迅速產生高收縮力（40 kPa），性能優於目前的水凝膠（0.01 kJ/m3）甚至是生物肌肉（8 kJ/m3）。該證明的彈性能量存儲和釋放方法賦予水凝膠以彈性-塑性可切換性，以完全可逆和可編程的方式具有多穩態變形性以及各向異性或各向同性變形。
  • 復旦等製備出新型碳納米管/石墨烯氣凝膠!
    導讀：本文通過一種簡便的原位水熱法和冷凍乾燥方法，開發製備出一種新型的碳納米管/還原型氧化石墨烯氣凝膠吸波材料。該氣凝膠具有極低的密度，並在18–26.5 GHz頻率範圍內實現了極強的介電損耗能力。最近，許多類型的吸波材料已通過這一策略製備出，特別是對磁/介電複合材料，界面基材料等，均顯示出理想的電磁波吸收能力，即使這樣，諸如高密度，超高填充率的缺點仍然極大地限制了它們的商業應用。吸波材料通常以塗層形式使用，該塗層由吸波填料和基質（即石蠟，矽膠等）組成。
  • 水凝膠,又一篇Science子刊!
    生物材料學術QQ群：1067866501儘管刺激響應型水凝膠具有很大的變形能力，但當用作致動器、智能開關和人造肌肉時，由於滲透壓驅動的傳遞力（~2 kPa）和速度較低，其功率密度較低近日，受到許多生物在跳躍過程中能量轉換機制的啟發，中科院蘭州化物所周峰研究員，美國加州大學洛杉磯分校Ximin He報導了通過在聚合物網絡中儲存和釋放彈性勢能，設計了一種彈性驅動的強收縮水凝膠。
  • 密度最低、熱導率最低的二氧化矽氣凝膠在隔熱塗層織物製備中大顯...
    密度最低、熱導率最低的二氧化矽氣凝膠在隔熱塗層織物製備中大顯身手 發表時間：2018/2/2
  • 中科院團隊實現雙網絡水凝膠3D列印,高強韌性、製備方便性凸顯
    此前，王曉龍所在團隊於 2015 年利用分子工程設計製備出了具有雙交聯網絡的超高強度水凝膠，斷裂應力超過 6MPa，斷裂拉伸率達到 700% 以上（Adv. Mater. 27, 2054-2059）。這次他們結合 3D 列印技術同樣完成了雙交聯網絡高強韌水凝膠的製備。
  • 復旦大學:碳點與多孔水凝膠整合製備全碳電極,用於雙層電容器
    成果簡介 作為雙電層電容器（EDLC）的一類電極材料，碳點（CD）能夠擴大比表面積，製造分層的孔和接枝贗電容基團，獲得額外的容量和出色的能量密度。Energy Mater》期刊發表名為「Integrating Carbon Dots with Porous Hydrogels to Produce Full Carbon Electrodes for Electric Double-Layer Capacitors」的論文，研究以市售聚丙烯醯胺凝膠（PAMG）為載體，製備出具有連續連通孔隙、交聯網絡和良好溶脹性能的CD，形成連續導電碳骨架
  • UCLA賀曦敏《Matter》：普適製備用於可穿戴電子的高性能可拉伸導電水凝膠
    具有微觀的三維互連結構的可拉伸導電聚合物水凝膠(stretchable conducting polymer-based hydrogel, SCPH)在儲能設備、生物傳感器和醫用電極等領域具有引人注目的優點。在親水性凝膠中發現的本質多孔結構具有大的表面積，導致了高的含水量、良好的生物相容性和以及離子和分子的高滲透性。
  • 裝備水凝膠電解質全溫度柔性超級電容器
    柔性超級電容器以其重量輕、功率密度高、柔韌性強等優點受到了研究人員的廣泛關注，其在可穿戴電子設備領域顯示出巨大的潛力。層狀MMT的加入不僅提高了水凝膠電解質的熱穩定性，而且在水凝膠電解質中形成了導電通道，促進了其離子電導。凝固點低於−50 °C的2 M H2SO4-DMSO/H2O水系電解質則為超級電容器的電化學動力學提供了足夠的離子電導率。以該電解質組裝的超級電容器在−50~90 °C的寬溫度範圍顯示出高的容量，且在10000次循環中表現出優異的循環穩定性。
  • 水凝膠材料在可持續能源和水資源領域的技術進展
    作為一種新興材料，水凝膠具有高度可調的物理化學性質和形貌結構，在諸多領域展現出了重要應用潛能，包括電化學能源存儲和轉化以及水資源淨化和管理（圖1）。通過調節組成水凝膠的單體或聚合物可以製備不同的水凝膠網絡，包括單網絡、半互穿網絡以及互穿網絡；不同水凝膠網絡具有不同的特性。
  • 可編程水凝膠:造生物機器人!
    智能水凝膠，一種可編程的材料。這款新材料實在令人心動。在當下機器人製造遇到諸多關口之際，它無疑會提供一個重要的機器人研發方向。鏈科技小編今日關注此事。據《自然·通信》報導，美國德克薩斯大學阿靈頓分校（UTA）研究人員開發出一種新方法，可對二維（2D）水凝膠進行編程，使其以空間和時間可控的方式進行擴展和收縮，形成複雜的3D形狀，並實現運動。該技術潛在應用包括仿生柔性機器人、人造肌肉（柔性材料可改變其形狀或像人體肌肉那樣響應外部信號而移動）以及可編程的物質。讓材料本身充滿智能，這是新材料研究的重大課題，同時也是人工智慧必然的發展趨勢。
  • 武漢大學製備出離子導電纖維素水凝膠,零下溫度仍能工作
    武漢大學製備出離子導電纖維素水凝膠，零下溫度仍能工作 發表時間：2019/11/5
  • 我國開發出高能量密度的柔性鈉離子微型超級電容器
    據中國科學院網站消息，近日，中國科學院大連化學物理研究所二維材料與能源器件研究組（DNL21T3）研究員吳忠帥團隊與中科院院士包信和團隊合作開發出具有高能量密度、高柔性、高耐熱性能的柔性平面鈉離子微型超級電容器。
  • 《ACS Nano》電滲驅動水凝膠：疊層自組裝誘導裂紋電極
    通過裂紋電極進行的電滲泵送瞬間通過可逆的大量液壓流引起水凝膠膨脹。最終的執行器表現出高於20％的驅動應變和1.06×10的能量密度5 J m–3，允許各種幾何形狀（例如，彎曲的平面和方柱結構）和運動（例如，緩速鬆弛，彈起和兩個自由度彎曲）。
  • 北海道大學龔建平團隊：反覆冷凍製備強雙/三網絡超大孔隙凝膠
    【科研摘要】具有海綿狀結構和滲透性的超大孔隙水凝膠因其生物工程和生物醫學應用而備受關注。但是，由於其低密度結構而導致的機械強度不足是其最大的局限之一。第二，超大孔隙水凝膠通常由單網絡（SN）水凝膠製成，由於缺乏能量耗散機制，它們本質上是弱材料。因此，提高多孔水凝膠機械強度的直接策略是將高強度水凝膠與合適的技術一起使用。
  • 《ACS Nano》電滲驅動水凝膠執行器:疊層自組裝誘導裂紋電極
    最終的執行器表現出高於20％的驅動應變和1.06×10的能量密度5 J m–3，允許各種幾何形狀（例如，彎曲的平面和方柱結構）和運動（例如，緩速鬆弛，彈起和兩個自由度彎曲）。特別是，該執行器的能量密度比迄今為止報導的骨骼肌，電化學執行器和各種刺激響應水凝膠致動器提高了約10倍。
  • 我國科學家製備出高比能柔性固態鋰離子電容器製備技術
    然而，柔性儲能器件一般採用化學/物理沉積、組裝、微鈉加工等特殊工藝製備，材料的選擇和使用受限制，導致難以兼得柔性器件的比能量和力學柔性>近日，中國科學院電工研究所研究員馬衍偉研究團隊在高性能柔性儲能器件製備技術研究中取得進展，通過從材料到器件的協同創新設計，開發出高比能柔性固態鋰離子電容器的規模化製備技術
  • 石墨烯增強導電聚合物水凝膠,製成可拉伸超級電容器
    水凝膠是通過化學或物理交聯而形成的含有大量水的三維網絡結構材料。 為解決這一問題，一個較好的方案是加入氧化石墨烯來增強導電聚合物水凝膠的機械性能。近日，德克薩斯大學奧斯汀分校餘桂華教授和四川大學肖丹教授研究團隊在Adv. Mater.上發表的文章中，報告了採用氧化石墨烯（GO）和CPHs，通過自組裝方法製成的具有大分子相互連接的3D石墨烯/納米結構導電聚合物水凝膠的方法。
  • 鈣鈦礦材料的製備方法含溶膠-凝膠法、水熱合成法、高能球磨法
    鈣鈦礦結構類型化合物的製備方法主要有傳統的高溫固相法（陶瓷工藝方法） 、溶膠-凝膠法、水熱合成法、高能球磨法和沉澱法，此外還有氣相沉積法、超臨界乾燥法、微乳法及自蔓延高溫燃燒合成法等。鈣鈦礦結構示意圖溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法（Sol-Gel Process）是化合物在水或低碳醇溶劑中經溶液、溶膠、凝膠而固化，再經熱處理製備氧化物、複合氧化物和許多固體物質的方法。溶膠-凝膠法中反應前驅體通常為金屬無機鹽和金屬有機鹽類，如金屬硝酸鹽、金屬氯化物及金屬氧氯化物、金屬醇鹽、金屬醋酸鹽、金屬草酸鹽。
  • 北海道大學龔建平團隊:反覆冷凍製備堅韌雙/三網絡超大孔隙凝膠
    【科研摘要】具有海綿狀結構和滲透性的超大孔隙水凝膠因其生物工程和生物醫學應用而備受關注。但是，由於其低密度結構而導致的機械強度不足是其最大的局限之一。它們還顯示出高達約100 kPa的壓縮模量，比相應的超大型單網絡（SN）凝膠的壓縮模量高2至4倍，在80％壓縮率下的壓縮強度高達1 MPa。超大型雙網絡（DN）冷凍膠凝體也可拉伸，延伸功達38 kJ m-3，比SN冷凍膠凝體大1至2個數量級。高剛度和可拉伸性使它們與其他類型的冰凍膠區別。