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電子科大崔家喜團(tuán)隊(duì)《Adv. Funct. Mater.》:水凝膠動態(tài)相變行為助力粘附和能量交換的應(yīng)用
2023-03-29  來源:高分子科技

  壁虎的腳趾在粘附過程中主要是依賴多級且富集的微納結(jié)構(gòu)適應(yīng)被粘附基底的粗糙表面,以增加真實(shí)有效的接觸面積從而提升范德華相互作用力達(dá)到強(qiáng)粘附的效果;蝸牛分泌的黏液通過脫水硬化過程形成強(qiáng)硬的冬蓋來鎖住粘附的界面,從而使蝸牛能夠粘附在各種物體表面。受此兩種自然粘附現(xiàn)象的啟發(fā),電子科技大學(xué)崔家喜團(tuán)隊(duì)利用過飽和水凝膠內(nèi)水合無機(jī)鹽的動態(tài)結(jié)晶-溶熔相變過程來增強(qiáng)凝膠的力學(xué)性能、粘附性能和能量交換。


  如圖1(a)所示,當(dāng)柔軟過飽和水凝膠受晶種刺激引發(fā)后,會使材料轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨Y(jié)晶的硬質(zhì)復(fù)合材料,過程如“點(diǎn)石成金”般。水合無機(jī)鹽晶體在水凝膠內(nèi)部的動態(tài)生長過程被偏光顯微鏡完美記錄(圖1 b)。拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線也表明水凝膠的結(jié)晶相變行為能極大的增強(qiáng)材料的力學(xué)表現(xiàn)。 


圖1. (a)水凝膠的結(jié)晶相變;(b)水凝膠內(nèi)部晶體生長的顯微形貌;(c)結(jié)晶相變增強(qiáng)的拉伸力學(xué)曲線。


  低模量的過飽和凝膠具有出色的受迫自形變能力,以增加材料與基底的有效接觸面積,如壁虎腳趾粘附一樣,圖2(a)顯示了過飽和凝膠對磨砂玻璃粗糙表面的自適應(yīng)過程,低模量凝膠的自適應(yīng)填充使得磨砂的玻璃變得透明(排除了空氣孔隙界面);而后的誘發(fā)結(jié)晶相變過程使材料的模量急劇升高,鎖住了材料與基底的粘附界面,如蝸牛黏液的脫水硬化一樣,最終增強(qiáng)了水凝膠的粘附強(qiáng)度(圖2b)。此外,高能勢無定型態(tài)水凝膠向低能勢結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變過程中能量會以熱量的形式釋放以提升溫度,該過程可用于熱治療和熱致變色(圖2 c和d)。


 圖2. (a)過飽和水凝膠適應(yīng)磨砂玻璃的粗糙表面及結(jié)晶相變-粘附界面互鎖過程;(b)7cm2的小搭橋粘附面積可以承載10kg的重物;結(jié)晶相變的釋能過程可用于的(c)熱治療和(d)熱致變色。


  該工作近期以方遠(yuǎn)來博士(現(xiàn)成都大學(xué)高等研究院特聘研究員)為第一作者,崔家喜教授為通訊作者發(fā)表于《Advanced Functional Materials》。


  原文鏈接:Fang, Y., Xiong, X., Yang, L., Yang, W., Wang, H., Wu, Q., Liu, Q., Cui, J., Phase Change Hydrogels for Bio-Inspired Adhesion and Energy Exchange Applications. Adv. Funct. Mater. 2023, 2301505.

  https://doi.org/10.1002/adfm.202301505


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