目前，納米纖維素（CNC）可以通過多種途徑進(jìn)行取向，如外部電場或磁場、機(jī)械剪切、干/濕紡絲或靜電紡絲等。然而，這些技術(shù)通常僅限于制備1D/2D結(jié)構(gòu)（纖維或薄膜）。雖然已經(jīng)證明了3D/4D打印可以獲得兼具復(fù)雜結(jié)構(gòu)和有序CNC的潛力，但這種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)通常具有非連續(xù)表面，尤其是在垂直方向上。此外，這些技術(shù)中的許多參數(shù)會影響CNC在三維成型結(jié)構(gòu)中的排列，例如ink的固有流變性/粘度、剪切速率、噴嘴幾何形狀和凝固劑的選擇。另一個關(guān)鍵問題是結(jié)構(gòu)體的力學(xué)性能，在含有CNC的三維復(fù)合材料中，有序排列的CNC如何發(fā)揮作用？是否還有其他影響因素？
圖1 含有CNC的類雙曲面3D結(jié)構(gòu)的制備過程。
近日，德國哥廷根大學(xué)張凱教授課題組通過“拉伸-松弛-干燥”動態(tài)共價水凝膠的方式制備了具有類似雙曲面的中空三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)（圖1）。這種方法的特點(diǎn)是CNC在里面是有取向的，且曲面具有連續(xù)性：基于機(jī)械拉伸和空氣干燥過程，動態(tài)水凝膠中的CNC可以單軸排列；除了力學(xué)增強(qiáng)之外，還提供額外的光學(xué)雙折射現(xiàn)象（圖2）；所獲得的類雙曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)可由原始水凝膠的形態(tài)和機(jī)械拉伸的條件控制；類雙曲面結(jié)構(gòu)的表面可以通過空氣干燥過程進(jìn)一步優(yōu)化，從而獲得光滑、連續(xù)和彎曲的表面。更為重要的是，研究發(fā)現(xiàn)這種3D形狀結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能不僅依賴于CNC的有序排列，而且與結(jié)構(gòu)固有的幾何形狀有很大關(guān)系（圖3）。這些結(jié)果將為設(shè)計和制造具有固定形態(tài)、力學(xué)性能和功能的先進(jìn)材料提供新的視角。
圖2 類雙曲面3D結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)。
圖3 類雙曲面3D結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能測試
課題組自2019年以來，通過“拉伸-松弛-干燥”動態(tài)共價水凝膠的方法，取得了一系列研究進(jìn)展，使分散在動態(tài)共價水凝膠中的棒狀納米材料實現(xiàn)了有序排布，成功制備了多維度雙折射材料（ACS Nano 2019，13，3867-3874）。進(jìn)一步通過模塊化設(shè)計實現(xiàn)了更廣闊、靈活的顏色調(diào)控方式，并成功將其用于光學(xué)防偽材料（Adv. Optical Mater. 2020，8，2000547），另外，課題組通過同時排布纖維素納米晶和金納米棒，集合了雙折射效應(yīng)和表面等離子效應(yīng)兩種特異性光學(xué)機(jī)制，從而實現(xiàn)了更廣的顏色調(diào)控（ACS Nano 2020, 14, 12, 16832–16839）。
本研究相關(guān)成果以“3D Hollow Xerogels with Ordered Cellulose Nanocrystals for Tailored Mechanical Properties”為題發(fā)表在近期的《Small》上。論文第一作者為Yang Yang、Heqin Huang博士，第二作者為Dan Xu博士研究生，通訊作者為德國哥廷根大學(xué)張凱教授。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202104702
