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不列顛哥倫比亞大學(xué)姜鋒教授團(tuán)隊(duì)《Mater. Horiz.》：纖維素3D打印新突破 - 用于信息加密及其軟驅(qū)動器的異質(zhì)結(jié)構(gòu)水凝膠
2023-04-24  來源：高分子科技

  自然界中具有既定模式的異質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛刺激了仿生材料的蓬勃發(fā)展。然而，在水凝膠這一類的的軟物質(zhì)中構(gòu)建出其具有良好的的機(jī)械性能和獨(dú)特功能的協(xié)同作用仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。近期，加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué) Feng Jiang 教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種簡單而適應(yīng)性強(qiáng)的策略，為其挑戰(zhàn)提供了一種新思路。該論文以“Information encrypted heterogeneous hydrogel with programmable mechanical properties enabled by 3D patterning” 為題在《Material Horizons》期刊上發(fā)表，第一作者為博士生Yuhang Ye。


  該工作利用由羥丙基纖維素（HPC）和纖維素納米纖維（CNF）組成的二元全纖維素體系，通過3D打印在水凝膠內(nèi)部構(gòu)建出復(fù)雜結(jié)構(gòu)。全纖維素基墨水（HPC/CNF）和極性親水聚合物基質(zhì)之間的強(qiáng)結(jié)合克服了水凝膠和骨架之間傳統(tǒng)的界面不相容性，導(dǎo)致所產(chǎn)生的聚合物-骨架混合水凝膠的結(jié)構(gòu)完整性顯著增強(qiáng)。由于墨水具有很好的可打印性，在水凝膠內(nèi)部里各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以被完整構(gòu)建，從而得到多方面的優(yōu)點(diǎn)。比如，通過調(diào)整圖案的幾何形狀，圖案水凝膠-骨架混合材料的機(jī)械性能可以很容易地被調(diào)節(jié)。此外，HPC的熱誘導(dǎo)聚集使所產(chǎn)生的水凝膠具有良好的熱響應(yīng)行為，這可以應(yīng)用于信息加密及其變形材料等各種領(lǐng)域。這種由全纖維素墨水促進(jìn)的三維圖案技術(shù)可以為擴(kuò)大水凝膠的機(jī)械性能和新功能提供一個有效而環(huán)保的途徑，其制備出來的圖案化水凝膠同時也可為新型設(shè)備的開發(fā)提供新的材料平臺。 


圖1圖案水凝膠的概念設(shè)計(jì)和材料合成。(a)自然界中存在的圖案中；(b)材料合成的示意圖。 


圖2. HPC/CNF墨水的3D打印能力以及水凝膠基質(zhì)和圖案骨架之間的界面作用。(a) HPC/CNF 油墨的物理外觀；(b&c) 不同比例的 HPC/CNF 油墨的流變特性；(b) 儲存模量（G′）和損失模量（G′′）與振蕩應(yīng)力的關(guān)系；(c) 穩(wěn)態(tài)粘度與剪切率的關(guān)系；(d) 打印的不同圖案；(e) 代表水凝膠基質(zhì)和圖案骨架之間的界面互動的數(shù)字照片。剪切率；（d）打印的不同圖案；（e）代表變形后結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性的數(shù)碼照片；（f）代表PAM水凝膠和HPC/CNF相在不同拉伸和釋放階段的放大界面的顯微圖像片。 


圖3. 可編程的機(jī)械性能。(a&b)數(shù)字照片顯示了不同幾何形狀的圖案；(c)數(shù)字照片顯示了在50°C下水凝膠內(nèi)的圖案的透明-不透明變化；(d)數(shù)字照片顯示了圖案相和水凝膠基體的同步變形，表明了良好的界面相互作用；(e) 不同水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(f) 不同水凝膠的計(jì)算楊氏模量和(g) 斷裂功；(h) 說明PAM和圖案水凝膠的網(wǎng)絡(luò)差異的示意圖；(i) 圖案D水凝膠的循環(huán)拉伸測試。 


圖4. HPC/CNF 油墨的熱反應(yīng)行為。(a) 數(shù)碼照片顯示 CNF/HPC 油墨的外觀隨著溫度的升高/降低而變化；(b) HPC/CNF 在低于和高于 LCST 溫度時的透光率變化；(c) HPC/CNF 油墨的透明度-不透明度-透光率循環(huán)；(d) HPC、CNF和HPC/CNF油墨的水動力直徑隨溫度升高的變化；(e) HPC和HPC/CNF油墨在LCST溫度以下和以上的光學(xué)顯微鏡圖像；(f) HPC/CNF油墨的熱響應(yīng)行為機(jī)制示意圖。 


圖5. 在信息加密中的應(yīng)用。(a)表示水凝膠和圖案相在加熱時的微觀結(jié)構(gòu)變化的示意圖；(b)顯示受熱刺激出現(xiàn)的隱藏兔子圖案的數(shù)碼照片；(c)顯示基于圖案的水凝膠的雙重信息加密裝置的機(jī)制的示意圖和照片。


  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00234a

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