北京林业大学李建章教授团队 ACS Nano：热刺激下的可编辑和形状-颜色同步双响应木材

2024-01-29 来源：高分子科技

受生物对外界环境反应行为的启发，刺激响应材料中的热驱动形状记忆材料因其可控性、适用性和智能性等，在传感器、致动器和电子产品等领域表现巨大的应用潜力，但其均一的结构导致其力学性能较差。天然木材独特的多尺度层级结构使其成为增强形状记忆材料力学性能的理想骨架，然而现有木基形状记忆材料缺乏可编辑性和其他可扩展的智能响应特性（如性能可视化等），阻碍了其进一步发展。

图1 SRW-TC的制备流程与性能优势

近期，北京林业大学材料科学与技术学院李建章教授团队通过热致变色微胶囊(TCM)掺杂的vitrimers浸渍轻木脱木素骨架（图1），制备了一种具有各向异性结构和可交换共价自适应网络的可编辑形状-颜色双响应木材(SRW-TC)，其具有轻质、高强、隔热、导光等特性，且兼具形状记忆、可编辑、形状-颜色同步双响应特性。该双响应智能木材在性能可视化、环境感知、材料交互性、信息双加密、局部精确形状和颜色调节等方面具有广阔的智能应用前景。该工作以“Programmable and Shape-Color Synchronous Dual-Response Wood with Thermal Stimulus”为题发表在国际知名期刊《ACS Nano》上。

图2 微观结构、化学组成与光学性能

如图2所示，由于脱木素木材骨架（WS）与掺入TCM的vitrimers(TCV)间的结合紧密，所制得SRW-TC呈半透明紫红色，红外光谱证实了制备过程中显著的脱木素效果与成功的巯基-环氧点击反应。良好的界面结合使得SRW-TC具有良好的光学透明度、高雾霾与较高的紫外线吸收能力，有利于调节光照环境、保护室内隐私且降低太阳辐射对人居环境的影响。同时，木材中的定向纤维排列赋予SRW-TC各向异性的光学特性，有望用于光管理材料，如增加光传播范围的节能建筑和具有强光漫射效果的光电器件。

图3 力学性能、增强机理与性能可视化

由于层状各向异性结构和紧密的界面相互作用的相互协同，SRW和SRW-TC的力学性能均显著增强（图3a-b）。在外力作用下，裂纹偏转和界面分层可扩展裂纹路径，促进能量耗散，而裂纹分支和裂纹桥接可稳定裂纹，避免应力集中，有利于强化和增韧（图3c-e）。同时，由于不同温度下的表观颜色和机械性能差异，SRW-TC在25℃时呈紫红色，抗拉强度为45.70 MPa，在40℃时变为白色，抗拉强度为13.28 MPa，颜色差值为64.19，这表明温度可以同时引起颜色和强度变化(图3f-j)。研究发现可借助色差直观判断材料的力学性能差异，这表明SRW-TC能够用作性能可视化材料。

图4 SRW-TC的形状记忆与可编辑性能以及形状-颜色双响应协同关系

如图4所示，SRW-TC借助玻璃态转化温度对性能的影响，可实现临时形状的变换与形状记忆，形状记忆行为具有循环稳定性，且TCM的引入可增加能耗途径，进而对形状记忆行为的速度产生轻微影响且对变形程度无不利影响。而借助拓扑转变温度以上的酯交换反应可通过动态共价网络重排来实现SRW-TC形状的编辑，这一特性使得SRW-TC可作为防眩光异形包覆材料。此外，SRW-TC还具有低导热系数、形状记忆-颜色变化的协同性与热稳定性等优势。

图5 SRW-TC的应用探索

引入TCM使SRW-TC的外部温度和内部力学性能可视化，其中WS作为增强骨架，vitrimers赋予形状记忆和可编辑特性，TCM用于环境和性能指示。由图5可知，SRW-TC能够可视化形状记忆和刚性/柔性切换，并通过形状-颜色同步双响应感知外部热刺激，成功证实其在温度传感、抓取物体、图标信息加密/解码等具有广泛的应用潜力。该研究可为开发高性能多功能木基材料提供新的思路。

北京林业大学博士研究生谭艺为第一作者，北京林业大学李建章教授、龚珊珊讲师，中国林科院木材工业研究所卢芸研究员为通讯作者，北京林业大学为第一完成单位。该工作得到了国家重点研发计划项目(2017YFD0601205)、国家自然科学基金项目(31722011,32122058)、北京林业大学杰出青年人才培养项目(2019JQ03004)的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c03607

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（责任编辑：xu）

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