北航刘明杰Angew. Chem. Int. Ed.：具备可变换机械性能和自愈合能力的双相协同凝胶材料

【引言】

机械性能可变的水凝胶，可以适应较为复杂的外部环境，在智能柔性材料领域具备巨大的潜在应用价值。目前，具有亲水性聚合物网络的水凝胶主要利用可逆非共价聚合物网点（即氢键，离子交联，疏水胶束和结晶段）来调节其机械性能和物理化学性质。然而，制备机械性能可变水凝胶的策略通常取决于复杂的分子设计和化学改性，并且这些水凝胶大多数机械性能并不理想。因此，聚合物网络的不良内在刺激响应特征限制了其在复杂环境中的应用。

【成果简介】

近日，北京航空航天大学刘明杰（通讯作者）等在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“Biphasic Synergistic Gel Materials with Switchable Mechanics and Self-Healing Capacity”的研究论文，报道了具备可变换机械性能和自愈合能力的双相协同凝胶材料（BSGs）的最新研究成果。研究人员通过在弹性水凝胶基体内紧密堆积微夹杂物制备得到了机械性能可变且具备自愈合特性的双相凝胶。研究发现：由于可转换的微夹杂物结合到水凝胶基质中，材料表现出优异的可调控力学和形状记忆性能；同时双相异构网络的非共价效应，材料表现出优异的自修复能力。作为一种理想的复合凝胶材料，双相凝胶有望应用于柔性驱动器，柔性器件和生物材料等领域。

【图文导读】

图1. BSGs的制备与表征

(a) DMA, SMA和EGDMA的分子结构以及纳米粘土的原理图。

(b) 高内相乳液制备的BAG示意图。

(c) BSGs的异质界面结构和微夹杂物的熔融 - 结晶过渡示意图。

(d) BSGs结构的CLSM图像。该图像蓝色区域为水凝胶基质，橙色区域为微夹杂物。 比例尺：20 μm。

(e) BSG内部结构的SEM图片。比例尺：10 μm。

图2. BSGs的机械性能

(a) PDMA水凝胶，PSMA网络和BSGs在20 ℃条件下的压应力-应变曲线 。

(b) 加载重量为500 g的负载后，BSG₅和PDMA水凝胶的压缩变形的图像。

(c) BSG样品的DSC热分析曲线，其中熔融温度(T_m)为6 ℃，结晶温度(T_crys)为25.2 ℃。

(d) 不同温度下当为8 rad s^-1时，BSG_0.5样品的储存模量(G')。

(e) BSG₅样品在温度循环测试中的G'值。

(f) BSG₅在20 ℃和60 ℃下拉伸载荷下的热力学曲线。

(g) 60 ℃下具有不同交联密度的BSG的拉伸应力-应变曲线。

图3. BSGs的自恢复和自愈合性能

(a) 20 ℃条件下BSG₁的负载-卸载压缩测试曲线。

(b) 40 ℃和60 ℃条件下BSG₁的负载-卸载压缩测试曲线。

(c) BSG₁的自愈合特性展示。(i) 切成两半的BSG_0.1, (ii) 加热后被切开的BSG_0.1完全愈合。

(d) BSG样品容易承受拉伸并承受500 g的拉伸载荷。

(e) 原始和愈合后的BSG₁样品的拉伸应力-应变曲线。

图4. BSGs的形状记忆性能特性

(a) BSGs的形状记忆过程示意图：演化、修复和恢复。

(b) BSGs在形状记忆过程中的内部结构示意图。

(c) BSG样品的形状记忆性能图像。

(d) 重量为28 g的压缩BSG_0.5在加载重量200 g的负载后恢复到原始形状。

(f) 临时延伸状态下BSGs的对应结构的表征。CLSM图像和SAXS图像实时显示了形状记忆过程中BSGs内部结构的变形。 比例尺：10 μm。

图5. BSGs的形状记忆性能

通过加热和冷却到不同温度（20, 40和80 ℃），BSGs从临时形状2逐步恢复至临时形状2并最终恢复至初始形状。

【小结】

通过将具有可切换相变特性的微夹杂物结合到无反应性水凝胶基质中，研究人员制备得到了机械性能可变且具备自愈合特性的双相凝胶。研究发现：由于可转换的微夹杂物结合到水凝胶基质中，材料表现出优异的可切换力学和形状记忆性能；异质结构衍生的可变机械性能使得材料具备较高的应变和刚度形状记忆效应。由于双相异构网络的非共价效应，材料表现出优异的自愈合能力。该方法为未来智能柔性材料的设计和制备提供了一定的思路参考。

文献链接：Biphasic Synergistic Gel Materials with Switchable Mechanics and Self-Healing Capacity(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/ange.201707239)

本文由材料人编辑部张杰编译，丁菲菲审核，点我加入材料人编辑部。

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