科研進(jìn)展
蘭州化物所與湖北大學(xué)合作在Chemical Reviews發(fā)表“聚合物凝膠的力學(xué)調控”綜述文章
聚合物凝膠作為一類(lèi)典型的類(lèi)組織工程軟材料，在裝備動(dòng)力傳動(dòng)系統、致動(dòng)器和機器人、能源裝備、生物醫療工程、柔性生物電子、化妝品等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。凝膠的工程應用需面對不同的環(huán)境工況條件，對聚合物凝膠的機械／力學(xué)性能及相關(guān)功能進(jìn)行調控，是該領(lǐng)域科學(xué)研究的重要前沿之一。
圖1．?具有優(yōu)異力學(xué)性能聚合物凝膠的典型應用和評價(jià)參數
近期，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗室合成潤滑材料研究團隊與湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院合作，在聚合物凝膠力學(xué)調控的分子機制和工程策略方面發(fā)表相關(guān)綜述文章，闡述了聚合物凝膠的力學(xué)機制、調控策略和仿生制造原理方法，展望了聚合物凝膠潛在的應用領(lǐng)域和未來(lái)發(fā)展前景。
圖2．?聚合物凝膠的力學(xué)機制與調控策略
文章提出了耦合多種相互作用構筑網(wǎng)絡(luò )結構，實(shí)現聚合物凝膠可定制化及調控其力學(xué)性能的策略。研究顯示，力學(xué)調控的分子工程可在分子尺度上編輯分子結構、操縱官能團引入非共價(jià)相互作用，及利用可逆的動(dòng)態(tài)鍵作為有效的力學(xué)耗散能等賦予凝膠材料不同的性能。研究認為，凝膠的調控機制主要依賴(lài)于聚合物網(wǎng)絡(luò )效應、交聯(lián)劑效應、非共價(jià)相互作用、納米晶域、鏈纏結以及分子的立體化學(xué)效應，而力學(xué)調控的結構工程策略主要是優(yōu)化體相網(wǎng)絡(luò )以構建高階耗散結構，包括溶劑相調控及新穎構筑策略、發(fā)揮機械化學(xué)／力效應、發(fā)展機械互鎖結構以及對異質(zhì)模量進(jìn)行調節等。
基于力學(xué)調控在分子工程和結構工程的多種調控策略，研究發(fā)現分子和結構尺度的耦合不僅會(huì )獲得極端力學(xué)性能，而且為物理和化學(xué)多種屬性之間的兼容提供了可操縱手段。作者融合凝膠材料的力學(xué)機制和仿生制造方法，提出了“協(xié)同方法學(xué)”（synergistic methodology）的調控思想。在力學(xué)性能方面，協(xié)同方法學(xué)主要是指將分子工程和結構工程的各種調控策略完美地集成在同一體材料中，實(shí)現不同力學(xué)屬性之間的權衡，尤其在強度、韌性、彈性、疲勞、黏附等；在凝膠功能方面，協(xié)同方法學(xué)主要指實(shí)現力學(xué)性質(zhì)與電學(xué)、光學(xué)、生物摩擦學(xué)等性質(zhì)之間的兼容。聚合物凝膠構筑協(xié)同方法學(xué)從材料性能和功能兩個(gè)調控視角出發(fā)，為解決材料互不相容性質(zhì)之間的沖突提供了新思路，對設計制備具有優(yōu)異性能與特殊功能的新型聚合物凝膠材料具有重要的參考價(jià)值和理論指導作用。
相關(guān)研究工作以“Mechanical Regulation of Polymer Gels”為題，發(fā)表在Chemical Reviews?。?span style="font-size: 16px; font-family: arial, helvetica, sans-serif; color: rgb(0, 0, 0); margin-top: 12px; margin-bottom: 12px; line-height: 1.5em;" data-index="9">2024，https：／／doi．org／10.1021／acs．chemrev．3c00498）上。中國科學(xué)院大學(xué)博士生許成功為該論文第一作者，中國科學(xué)院院士、蘭州化物所劉維民研究員，蘭州化物所黃金霞副研究員和湖北大學(xué)郭志光教授為共同通訊作者。
上述工作得到國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項（B類(lèi)）等的支持。
圖3．?協(xié)同方法學(xué)（synergistic methodology）在互不相容性質(zhì)的兼容性作用
