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東北林大于海鵬教授、沈陽化工趙大偉教授《Adv. Sci.》：仿生多尺度設計策略用于構建強韌且抗沖擊生物離子凝膠

2023-03-14 來源：高分子科技

結構設計為開發具有理想機械性能的先進軟材料提供了有效的解決方案。開發高性能離子凝膠已成為材料科學領域最令人興奮的前沿領域之一。然而，在離子凝膠中創建多尺度結構以獲得強大的機械性能具有挑戰性。

木質纖維素與絲素纖維都是人們熟知的天然高分子聚合物，纖維素分子鏈上豐富的羥基結構賦予其多元化的氫鍵拓撲網絡構效設計，絲素纖維作為一種宏觀上強韌的纖維材料得益于其微觀上獨特的蛋白質多尺度結構，高度結晶的β折疊構象賦予其優越的剛度和韌性。因此可以在分子尺度調控設計兩種天然高分子物質，賦予材料更新穎、更強大的性能。

近日，東北林業大學碩士研究生曹凱玥（第一作者）提出了一種原位多尺度整合策略，最優化地保留了絲素纖維宏觀的強悍機械特性，同時構建的多尺度氫鍵拓撲網絡可進一步強化凝膠材料的機械、電學等性能。作者利用可擴展的離子熱刺激調控絲素纖維在纖維素分子凝膠體中的原位分裂與分子化，構建出了一種多尺度結構離子凝膠（M-gel）（圖1）。該M-gel顯示出由微纖維、納米原纖維和超分子氫鍵網絡組合的跨尺度結構優勢（圖2）。當使用該策略構建由深海玻璃海綿啟發的M-gel時，開發的仿生M-gel表現出優異的機械性能，彈性模量高達31.5 MPa，斷裂強度可超6.5 MPa，韌性達到1540 kJ/m³，瞬時抗沖擊性可達3.07 kJ/m（圖3），綜合性能優于大多數已報道的聚合物凝膠，甚至可與硬木相當，為開發具有理想機械性能、抗沖擊性的先進軟材料提供了有效的解決方案。同時，該策略可擴展到其它生物聚合物，為高性能生物離子凝膠構建提供了一種有前景的原位設計方法，可指導設計需要更大抗沖擊性或使用條件更苛刻的承重軟材料。該研究以“Bio-Inspired Multiscale Design for Strong and Tough Biological Ionogels”為題發表于最新一期《Advanced Science》期刊，文章通訊作者為東北林業大學于海鵬教授與沈陽化工大學趙大偉教授。

圖1.M-gel的設計思路

圖2.M-gel的多尺度結構構建

圖3.仿生M-gel的機械性能和離子傳導性

總結：作者提出了一種生物啟發的結構增強策略，通過整合綠色和生物相容的絲素蛋白和纖維素來開發高強度生物離子凝膠。絲素蛋白的多級結構和纖維素分子凝膠體獨特的熱效應賦予了離子凝膠材料多尺度結構設計可行性。通過仿生加固設計和跨尺度物理化學拓撲網絡的構建，所得M-gel具有優異的力學性能及抗沖擊性能。這項工作將為仿生結構設計開辟新的視角，以開發具有卓越力學性能的功能性和創新的離子凝膠材料，有助于擴大其在智能保護裝置和穩健生物電子學領域的潛在應用。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202207233

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（責任編輯：xu）

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