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    今日重磅《Nature》:強度、韌性、疲勞抗力均優異!

    2021-02-25來源:材料科學
    核心摘要:本文使用冷凍輔助鹽析處理,獲得了多長度尺度的分層水凝膠結構,具有高強度,韌性,拉伸性和疲勞抗力,性能優于其他水凝膠,甚至比天然肌腱都好!原本較弱的水凝膠以后或可以應用于醫療、機器人、能源和增材制造領域。
          木材既輕又堅固;珍珠是堅硬而有彈性的;肌肉和肌腱既柔軟又堅韌。這些天然材料,表現出一種通常矛盾的力學性能的組合,這歸因于它們跨越多個長度尺度的層次結構。與天然承載材料相比,傳統的水凝膠具有松散的交聯、低固含量和均勻的結構,在現實世界的應用中相對脆弱,往往需要長使用周期、高負載或耐沖擊、大變形。

    近來,通過冷凍鑄造、機械拉伸和復合,在水凝膠中創造了各向異性結構的結構工程方法。例如,定向凍結,或冰模板,由于其普遍適用于各種聚合物而被廣泛使用。然而,微對準冰模板水凝膠的力學性能,與分子工程方法制備的均質韌性水凝膠相當,甚至更低。機械拉伸,也可用于制造各向異性的微/納米結構。研究者還探索了,向水凝膠中添加外來微/納米級纖維增強劑的復合方法。經過機械訓練的水凝膠和水凝膠復合材料,與均質韌性水凝膠相比,具有相當大的強度和斷裂韌性,但也有有限的延展性或含水量。這些結構工程方法的重點是優化現有水凝膠的微/納米結構,然而,要同時創造出具有更復雜的層次結構、更寬長度尺度的更強、堅韌、可拉伸和抗疲勞的水凝膠仍然具有挑戰性。

    最近,一種由模量不同的纖維和相似成分的基體組成的各向異性復合材料,顯示了在保持拉伸性的同時,提高強度、斷裂韌性和疲勞抗力的有效性。因此,形成一種分層各向異性的單組分水凝膠,該水凝膠含有相同成分的強而可拉伸纖維,將有希望制造同時具有高強度、韌性、延展性和疲勞閾值的水凝膠。

    聚合物聚集態的改變,可以通過添加特定的離子來實現;這被稱為霍夫邁斯特效應,不同的離子有不同的能力沉淀聚合物。在特定離子的幫助下,相同的聚合物組成可以形成模量對比結構。同時,定向凍結使水凝膠在更大尺度(微米毫米)上具有各向異性結構,同時促進分子濃度。

    在此,研究者使用分子工程和結構工程相結合的方法,來制造水凝膠。通過結合定向冷凍鑄造和隨后的鹽析處理,協同創建不同長度尺度的水凝膠結構,從毫米尺度到分子水平(圖1),研究者構建了具有等級和各向異性結構的強、韌、可拉伸和抗疲勞的水凝膠(表示為HA-PVA/明膠/海藻酸鹽水凝膠)。所制備的聚乙烯醇水凝膠具有高度的各向異性,包括微米尺度的蜂窩狀孔壁,這些孔壁又包括相互連接的納米纖維網。這些水凝膠的含水量為70% - 95%,性能優于其他堅韌的水凝膠,甚至是天然肌腱;例如,極限應力為23.5±2.7百萬帕斯卡,應變水平為2900±450%,韌性為210±13百萬焦耳每立方米,斷裂能量為170±8千焦耳每平方米,疲勞閾值為10.5±1.3千焦耳每平方米。

    圖1 HA-PVA水凝膠的制備與分級結構。更多精彩視頻請抖音搜索:材料科學網。

    圖2 HA-PVA水凝膠的力學性能及結構演變。更多精彩視頻請抖音搜索:材料科學網。

    圖3水凝膠結構與力學性能的關系。更多精彩視頻請抖音搜索:材料科學網。

    圖4 冰模板輔助鹽析制得水凝膠的可調力學性質和共性。更多精彩視頻請抖音搜索:材料科學網。

    在此,研究者使用冷凍輔助鹽析處理,開發了分級結構的水凝膠,結合了高強度,韌性,拉伸性和疲勞抗力??紤]到霍夫邁斯特效應存在于各種聚合物和溶劑體系中,本文提出的策略并不局限于本文提出的體系。研究者預計,在該策略的幫助下原本較弱的水凝膠可以應用于醫療、機器人、能源和增材制造領域。(文:水生)


    (責任編輯:小編)
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