浙江大学贾铮教授课题组 CRPS:受人体体表角质层结构启发的低含水量聚电解质水凝胶
2023-12-19 来源:高分子科技
水凝胶通常含有大量的水(>80 wt%),高含水量容易导致较差的力学性能。此外,在空气环境中,水凝胶的快速脱水会引起水凝胶的力学性能和特定功能的改变,这限制了水凝胶的实际应用。近期,浙江大学曲绍兴教授与贾铮教授课题组受人类表皮低含水量和稳定性能的启发,开发了一种新型低含水量聚电解质水凝胶(即L-水凝胶),该水凝胶由亲/疏水网络共聚获得,含水量低于12 wt%。因此,L-水凝胶具有卓越的自修复能力(自修复效率接近100%),接近1MPa的强度和模量,高断裂韧性约3390J/m2,以及对湿/干表面的强粘附力(约120–1300N/m)。,与人体表皮类似,L-水凝胶在空气环境中具有长期稳定的含水量和性能,可实现基于L-水凝胶的纳米摩擦发电机、离子皮肤、介电弹性体驱动器、电致发光器件等可在非水环境中长期使用的离电器件。
针对以上问题与挑战,浙江大学工程力学系曲绍兴教授与贾铮教授课题组受人体体表角质层结构的启发研发了一种在空气环境中具有稳定优异力学性能和电学性能的低含水量聚电解质水凝胶(即L-水凝胶),成果以《Low-water-content polyelectrolyte hydrogels inspired by human epidermal stratum corneum》为题发表在《Cell Reports Physical Science》上。L-水凝胶由1-乙基-3-甲基咪唑鎓(3-磺丙基)丙烯酸酯(ES)、丙烯酸(AAC)和丙烯酸甲氧基乙酯(MEA)等三种单体共聚而成。ES、AAC和MEA分别模拟角质层中天然吸湿因子(NMF)、蛋白质和脂质的作用。与常规高含水量(>80 wt%)水凝胶形成鲜明对比的是,L-水凝胶在空气环境中的含水量低于12 wt%,与人类角质层的含水量接近。由于L-水凝胶中吸湿组分(ES)的存在,L-水凝胶可以在开放空气环境中长时间保持含水量稳定,这避免了水分损失而导致的水凝胶性能恶化,从而保证了L-水凝胶在空气环境中的力学/电学性能的稳定性。此外,低含水量策略使L-水凝胶具有优异的自修复能力(自修复效率约100%)、较高的强度(0.98 MPa)和模量(0.93 MPa)、与人类皮肤相当的优异断裂韧性(3390 J/m2)以及对各种湿表面和干表面的强天然粘附力(约120–1300 N/m)。
图1.受人类表皮角质层启发的L-水凝胶的网络设计和物理性质
图2.低含水量的分子结构设计使得L-水凝胶具有优异的机械性能
图3. 水凝胶的稳定性和耐寒性
图4. L-水凝胶在柔性电子设备中的应用
浙江大学航空航天学院博士生申子航为论文的第一作者,浙江大学航空航天学院贾铮教授为论文的通讯作者,浙江大学曲绍兴教授、应义斌教授、平建峰教授和南方科技大学杨灿辉教授为论文的共同作者。该研究得到了国家自然科学基金创新群体项目、国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划课题和浙江省杰出青年基金项目的资助。
原文链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005866
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(责任编辑:xu)
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