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邱东课题组在构筑高弹性水凝胶材料方面取得重要进展
2022-01-12 | 编辑:lry | 【 】【打印】【关闭

  聚合物水凝胶,作为一类通过化学交联或物理相互作用形成的高分子三维网络,因其具有类似于生物组织的高含水量而表现出优异的生物相容性,在组织工程、药物释放、生物传感等领域展现出极大的应用潜力。但因传统水凝胶的力学性能较差,其实际应用大为受限。 

  在国家自然科学基金委和中国科学院的支持下,化学所高分子物理与化学实验室邱东研究员课题组近年来致力于强韧水凝胶的开发与功能化研究,并取得了系列进展。研究团队从调控高分子链间相互作用角度出发,提出了高分子链氢键作用“时域调控”策略(Adv. Matter. 2020, 32, 2004579)以及“连体网络”增强策略(Sci. Adv. 2019, 5, eaau3442),实现了水凝胶的力学性能的大幅提升;同时,还实现了水凝胶的多种功能化,发展了黏附型水凝胶(Chin. Chem. Lett. 2020, 31, 821-825)、耐盐性水凝胶(Polymer 2020, 186, 122080)以及表面具有褶皱结构的仿生水凝胶(Chem. Commun. 2020, 56, 13587-13590)。     

  最近,该课题组在前期研究成果的基础上,从高分子/纳米颗粒相互作用调控角度出发,通过将高度枝化的二氧化硅纳米颗粒(比表面积高达1000 m2.g-1)引入到适度化学交联的聚合物胶网络,发展了一类高含水量的纯弹性纳米复合水凝胶材料。在含水量达96 wt%的条件下,该类纳米复合水凝胶表现出高达11.5倍的断裂伸长率。由于彻底消除了凝胶网络中的能量耗散途径(高分子链解缠结、共价键断裂等),此类纳米复合水凝胶在循环载荷作用下几乎没有任何应力回滞,表现出类似于弹簧的纯弹性力学行为。独特的弹性力学行为还赋予此类复合水凝胶材料优异的抗疲劳性质,水相环境下的动态载荷测试表明历经5000次循环拉伸处理后,此类纳米复合水凝胶依然能维持其交联网络的完整性。基于此类纳米复合水凝胶材料独特的纯弹性力学行为,他们还构建了离子型应变传感器,实现了对微小振动的高灵敏度检测。相关研究成果发表在近期的Advanced MaterialsDOI: 10.1002/adma.202108243。本工作得到了美国橡树岭国家实验室以及中国散裂中子源(东莞)小角中子散射线站工作人员的技术支持。文章通讯作者是邱东研究员和UMass Thomas P. Russell教授,第一作者是孟晓辉助理研究员。 

纳米复合水凝胶的力学性能及其在微小振动高精度检测中的应用 

          

  高分子物理与化学实验室 

  20220112  

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