科研進(jìn)展
蘭州化物所力學(xué)性能可調控水凝膠制備方法研究獲新進(jìn)展
具有濕軟特性的水凝膠在仿生潤滑、觸覺(jué)感知、生物傳感和柔性電子等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，但其性能調控大多具有“配方依賴(lài)”性。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料重點(diǎn)實(shí)驗室受自然界中廣泛存在的圖案化異質(zhì)結構（如昆蟲(chóng)翅膀和植物葉脈等）啟發(fā)，發(fā)展了一種圖案化水凝膠（CSN水凝膠）方案實(shí)現了其多屬性、寬范圍的力學(xué)性能調控。如圖1所示，研究人員以光固化聚（N－丙烯酰甘氨酰胺）（PNAGA）水凝膠作為軟基質(zhì)，通過(guò)先浸泡N－丙烯?；被澹?/span>NASC）前驅體溶液再以選區曝光構建圖案化硬骨架（PNAGA＠PNASC），然后經(jīng)后續水平衡過(guò)程中的相轉化誘導氫鍵重構實(shí)現軟基質(zhì)和硬骨架的無(wú)縫互鎖，發(fā)展了具有局部互穿網(wǎng)絡(luò )的圖案化硬骨架強化水凝膠。
圖1． 圖案化水凝膠的制備
該方法制備的CSN水凝膠能夠在軟基質(zhì)凝膠基礎上，通過(guò)圖案化設計（包括圖案形狀、圖案參數、圖案化比例等）實(shí)現了其機械性能的增強和調控。研究人員通過(guò)對預制缺陷下的裂紋擴展行為實(shí)驗、循環(huán)拉伸實(shí)驗、穿刺實(shí)驗和落球實(shí)驗對所制備的圖案化CSN水凝膠的力學(xué)性能進(jìn)行了系統研究，結果表明，其韌性可在0.15－18 kJ m－2（120倍）、模量在0.32－5.92 MPa（19倍）內進(jìn)行調控（圖2），并展現出優(yōu)異的預制缺陷擴展和形變不敏感以及抗沖擊等特性（圖3），為適應不同應用需求及其應用過(guò)程中的自適應性提供了有效的解決方案。
圖2． 圖案化水凝膠的寬范圍機械性能調控
圖3． 圖案化水凝膠的性能強化與應用前景
相關(guān)研究工作以“Sculpting mechanical properties of hydrogels by patterning seamlessly interlocked stiff skeleton”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials（2024，2417477，https：／／doi．org／10.1002／adfm．202417477）上。蘭州化物所聯(lián)合培養的石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院碩士研究生朱彬（現深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院博士生）為論文第一作者，蘭州化物所王曉龍研究員、Institut Jacques Monod博士后蔣盼和深圳技術(shù)大學(xué)助理教授張智星為共同通訊作者。
該工作得到中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項（B類(lèi)）、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持。
