寧波材料所在納米復(fù)合水凝膠及其器件研究方面取得系列進(jìn)展

    水凝膠一般由含水的三維聚合物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，含水率可達(dá)99%，其軟濕特性與生物組織有相似之處，在組織修復(fù)與替代、仿生器件、仿生智能材料等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的聚合物水凝膠結(jié)構(gòu)單一，缺少能量耗散機(jī)制，強(qiáng)度和韌性較低，限制了其實(shí)際應(yīng)用和功能開發(fā)。深入研究水凝膠的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系，通過分子和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制備高強(qiáng)韌水凝膠，實(shí)現(xiàn)其機(jī)械性能的可控調(diào)節(jié)，是發(fā)展功能水凝膠材料的基礎(chǔ)，一直受到學(xué)術(shù)界的重視。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水凝膠的增強(qiáng)增韌開展了大量研究，發(fā)展了一系列各具特色的新型高強(qiáng)韌水凝膠體系。一方面，高強(qiáng)韌水凝膠的增強(qiáng)增韌機(jī)制還需要深入系統(tǒng)研究，另一方面，需要發(fā)展功能型高強(qiáng)韌水凝膠，以推動(dòng)其應(yīng)用技術(shù)發(fā)展。

　　中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所在強(qiáng)韌型納米復(fù)合水凝膠方面開展了系列研究，取得了系列研究成果，揭示了多種納米顆粒通過化學(xué)鍵合或物理吸附等方式增強(qiáng)增韌高分子水凝膠的機(jī)理；在此基礎(chǔ)上，合成了多重響應(yīng)型水凝膠，并構(gòu)建了雙層水凝膠驅(qū)動(dòng)器。

　　研究人員利用剝離的片層狀納米蒙脫土與聚丙烯酰胺之間的可逆吸附作用，構(gòu)建了基于氫鍵交聯(lián)的納米復(fù)合水凝膠（ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 5029−5037）。這樣的水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的拉伸性能，斷裂伸長率（ε）達(dá)到11800 %，拉伸斷裂能（U）達(dá)到10.1 MJ m–3，遠(yuǎn)大于共價(jià)交聯(lián)的聚丙烯酰胺水凝膠（ε ~ 68 %, U ~ 18.8 kJ m–3），同時(shí)，凝膠具有回復(fù)性能和良好的可修復(fù)性（圖1）?？赡娴姆枪矁r(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被證明是水凝膠具有上述性能的重要原因。在此基礎(chǔ)上，研究人員將溫敏單元和離子型基團(tuán)引入這一水凝膠體系，發(fā)展出對(duì)溫度、離子強(qiáng)度、pH刺激具有靈敏響應(yīng)的強(qiáng)韌多重響應(yīng)水凝膠（J. Mater. Chem. B 2016, 4, 1733-1739）。進(jìn)一步地，他們?cè)谶@一水凝膠體系中分別引入正、負(fù)電荷單元，利用界面間的靜電吸引實(shí)現(xiàn)水凝膠的模塊化組裝，并利用不同模塊對(duì)離子強(qiáng)度的差異化響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了水凝膠組件的可控驅(qū)動(dòng)（J. Mater. Chem. B 2016, 4, 3239-3246）。

　　另外，研究人員還將納米顆粒（球形納米二氧化硅、棒狀納米凹凸棒土）對(duì)水凝膠的增韌作用與經(jīng)典的雙網(wǎng)絡(luò)增韌機(jī)制相結(jié)合，利用兩者的協(xié)同作用，開發(fā)出超強(qiáng)韌的納米復(fù)合雙網(wǎng)絡(luò)（ncDN）水凝膠（Soft Matter 2012, 8, 6048-6056; J. Mater. Chem. B 2014, 2, 1539-1548）。與雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠相比，ncDN凝膠具有更高的強(qiáng)度、韌性和延展性（圖2）。有趣的是，納米顆粒的幾何形狀對(duì)ncDN凝膠的增韌機(jī)制具有重要的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在大應(yīng)變下，球形納米顆粒傾向于作為應(yīng)力集中點(diǎn)，均勻分散周圍的應(yīng)力；棒狀納米顆粒傾向于通過自身斷裂釋放應(yīng)力（RSC Adv 2016，6，37974-37981），表現(xiàn)出截然不同的增韌機(jī)制。

　　上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（No. 21004074, 21574145）、中科院百人計(jì)劃和浙江省杰出青年科學(xué)基金（No. LR13B040001）等項(xiàng)目的支持。

　　圖1. 物理交聯(lián)的蒙脫土/丙烯酰胺納米復(fù)合水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的（a）力學(xué)性能和（b）修復(fù)性能，（c）該體系水凝膠通過靜電吸引組裝及凝膠組件的可控驅(qū)動(dòng)。

　　圖2. 納米復(fù)合雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的（a）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，（b）力學(xué)性能，（c）壓縮前后的透射電子顯微鏡照片對(duì)比