深圳大学黄思雅课题组 AFM：受蜘蛛丝启发的具有应变强化、高阻尼和超收缩性能的非均相超分子网络

2023-08-23 来源：高分子科技

为了适应复杂多变的环境，自然生物进化出了丰富的自适应力学行为，如应变增强、高阻尼和在自然环境条件下的响应驱动特性。具有自适应力学特性的先进智能材料在生物医学领域和仿生设计中具有巨大的应用前景。然而，设计并制备具有多种自适应力学特性的智能材料仍然面临着巨大挑战。深圳大学黄思雅研究员课题组以蜘蛛丝的分子化学和结构为灵感，通过蒸发诱导氢键大分子自组装，构建了一种具有多种自适应性的异质结构超分子网络。

该工作采用一种条件温和且环境友好的仿生制备策略，通过水溶剂挥发诱导单一大分子自组装，构建了具有异质结构的超分子聚合物网络（图1）。该超分子网络由动态氢键缔合而成的硬(结晶)相和软(非晶)相组成，在制备方法、分子化学及结构上均呈现出与蛛丝的相似性。

图1. 蜘蛛丝a)及超分子网络b)的分子结构示意图。

这种非均相超分子网络表现出显著的应变、时间和湿度依赖特性，在宽范围的应变、应变速率和湿度变化下展现出优异的自适应力学性能和形状响应特性（图2和图3）:拉伸率>130%，应变强化下的模量提升6倍，在宽应变速率范围内的能量耗散率>80%，以及湿度引发超收缩率>50%。这种在温和的自然环境条件下具有多种自适应力学特性的智能材料在软体机器人、人工肌肉和生物医学领域具有广阔的应用前景。该研究以题为“Spider-Silk-Inspired Heterogeneous Supramolecular Network with Strain-Stiffening, High Damping Capacity, and Supercontraction”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。深圳大学高等研究院研究生杜波彦为论文第一作者。该研究得到国家自然科学基金委和广东省基础与应用基础研究项目的支持。

图2. a)超分子网络的J型应力-应变曲线及其对应的分子构型示意图。b)超分子网络的双官能度和多官能度交联策略。c)不同交联密度的双官能度交联超分子网络的应力-应变曲线。d)不同浓度的多官能度交联超分子网络的应力-应变曲线。

图3. 超分子网络在宽范围应变速率和湿度变化下的自适应力学特性、高阻尼和超收缩行为。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202306071

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（责任编辑：xu）

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