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德國哥廷根大學張凱教授團隊:利用動態復合水凝膠中的液體行為構建多維度雙折射材料
發布:blast_k   時間:2019/5/16 15:45:19   閱讀:216 
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水凝膠可由親水的聚合物鏈在水中交聯產生,其結構被交聯的聚合物網絡所穩定,同時包含大量的水。因此,水凝膠常常表現出明顯的粘彈性特點。換言之,這種材料既可以表現出固體材料的彈性行為,也能展現出液體的塑性行為。水凝膠具有高含水量和易于設計的微觀結構,廣泛應用于生物醫學工程和柔性電子器件等領域。然而,動態水凝膠中的液體行為卻缺少足夠的研究,同時限制了其更廣泛、有效的應用。

最近,德國哥廷根大學張凱教授領導的課題組充分利用動態復合水凝膠的粘彈性,成功將流動液體的特性與靜止液體的特性結合在一起,制造了形狀和微觀取向可調控的雙折射材料。


圖1.(a)動態復合水凝膠的組成;(b)纖維素納米微晶在動態水凝膠中的取向

在剪切力或軸向拉伸的牽引下,由硼酸酯鍵(boronate ester bond)交聯的動態水凝膠表現出剪切變稀的現象,并驅動其中纖維素納米微晶(CNC)的流體力學取向(hydrodynamic alignment)。然而在外力撤銷后,由于纖維素納米微晶的觸變性,其取向結構被保存在快速松弛的水凝膠網絡中,從而留下流動液體的“足跡”。接下來通過靜置干燥,伸長的水凝膠轉變成干凝膠(xerogel),在此過程中,水凝膠表面張力則進一步增進了纖維素納米微晶的取向,因此在交叉的偏振片間展現出彩虹狀的干涉色。


圖2.(a)在水凝膠的拉伸和干燥過程中可觀察到的干涉色;(b)纖維素納米微晶的取向原理

不同于一般的流體力學取向過程,在動態水凝膠中,纖維素納米微晶的取向不需要收斂的流動通道,而是直接被水凝膠收斂的邊界所限制。因此,所得到的干凝膠不僅表現出可調控的雙折射現象,其幾何形狀也可以進一步編輯:如形成不同截面形狀的纖維、薄膜,甚至扭轉的彈簧結構。此外,在表面張力的驅動下,拉伸干燥的管狀干凝膠可以形成向內凹陷的環狀曲面。迄今為止,這是第一種可以構建的中空類懸鏈曲面(pseudo catenoid),并形成各向異性微觀結構的方法。


圖3.(a)不同寬厚比的干凝膠薄膜;(b)不同截面的干凝膠纖維;(c)由管狀水凝膠形成的類懸鏈曲面

該研究表明,通過充分運用動態復合水凝膠中的液體行為,動態液體和靜態液體的特性可以在同一材料的成型制備中得以體現。同時借助水凝膠自身的邊界,這些液體特性可以拓展到無需模具支撐的三維復雜結構中。相關成果發表在ACS Nano上,論文第一作者為Heqin Huang博士,通訊作者為張凱教授。

論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b00551

來源:X-MOL

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