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大連化物所新途徑制備高堅固纖維素光子水凝膠
來源:大連市人民政府 官網(wǎng) 點擊數(shù):320次 更新時間:2025/2/16 13:46:23

 

近日,大連化物所生物技術(shù)研究部生物分離與界面分子機制研究組卿光焱研究員團隊設(shè)計并制備出一種具有可重構(gòu)性和機械變色性的高堅固纖維素光子水凝膠。該制備方法為制造堅固的光子水凝膠開辟了一條新途徑,其智能光學響應(yīng)特性有望擴大仿生光子纖維素材料在醫(yī)療、能源和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

Bouligand結(jié)構(gòu)是一種由單向納米纖維片螺旋堆疊構(gòu)成的多層次有序結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)廣泛存在于諸多生物材料中,例如魚鱗、龍蝦殼、昆蟲外骨骼甚至是人體的骨組織,這些材料憑Bouligand結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,既能保持足夠的堅硬度,又能在受到外力沖擊時通過分層結(jié)構(gòu)有效緩沖,從而減少損傷。仿自然界Bouligand的結(jié)構(gòu)因其層間耦合和應(yīng)力傳遞機制,展現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能,啟發(fā)了抗沖擊生物塑料、陶瓷防護服和仿生合金復(fù)合材料等高性能材料的開發(fā)。盡管通過分子級設(shè)計和多尺度結(jié)構(gòu)優(yōu)化,仿生Bouligand結(jié)構(gòu)在工程塑性上已取得顯著進展,但現(xiàn)有材料大多由單尺度脆性單元構(gòu)成,缺乏分級活性界面及自主響應(yīng)能力,導(dǎo)致其延展性和功能性受限。因此,需要突破現(xiàn)有設(shè)計瓶頸,開發(fā)同時具備多級活性界面、動態(tài)響應(yīng)能力及高韌性的新型Bouligand結(jié)構(gòu)材料體系,以增強和優(yōu)化材料的剛性和延展性等。構(gòu)建能夠平衡微運動和結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性的策略,從根本上打破脆性與韌性無法兼得的矛盾,進而攻克阻礙仿生材料實際應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題有望解決上述問題。

大連化物所研究團隊通過自組裝纖維素納米晶體(CNC),為Bouligand結(jié)構(gòu)提供了一種具有廣泛應(yīng)用前景的解決方案。該策略通過納米纖維滑動和氫鍵重建,實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)基質(zhì)空間排列的精確控制。這一轉(zhuǎn)變由水分子激活的氫鍵作用驅(qū)動,形成了堅固的光子水凝膠。所得的Bouligand結(jié)構(gòu)水凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能,相較于初始水凝膠,其韌性值增加了5倍,拉伸性超過950%。此外,這些光子水凝膠展現(xiàn)出動態(tài)變色能力,可在紅色和藍色之間切換,并在可逆拉伸過程中保持穩(wěn)定的電靈敏度。光子水凝膠的成像界面持久耐用,可反復(fù)使用,僅需在水中浸泡5分鐘即可恢復(fù)活性。該工作為CNC的實際應(yīng)用開辟了新路線,有望應(yīng)用在可持續(xù)生物塑料、柔性電子基板、智能光子器件等領(lǐng)域。

近年來,卿光焱團隊在納米纖維素的手性功能化研究中取得了系列進展,前期開發(fā)了多模式、可轉(zhuǎn)換的手性光學防偽薄膜,光子纖維素納米晶的柔性汗液傳感器,纖維素左手性圓偏振發(fā)光薄膜,以及協(xié)同變色和導(dǎo)電的纖維素納米晶光子貼片等。

來源: 大連日報


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