北航劉明杰Angew. Chem. Int. Ed.：具備可變換機械性能和自愈合能力的雙相協同凝膠材料

【引言】

機械性能可變的水凝膠，可以適應較為復雜的外部環境，在智能柔性材料領域具備巨大的潛在應用價值。目前，具有親水性聚合物網絡的水凝膠主要利用可逆非共價聚合物網點（即氫鍵，離子交聯，疏水膠束和結晶段）來調節其機械性能和物理化學性質。然而，制備機械性能可變水凝膠的策略通常取決于復雜的分子設計和化學改性，并且這些水凝膠大多數機械性能并不理想。因此，聚合物網絡的不良內在刺激響應特征限制了其在復雜環境中的應用。

【成果簡介】

近日，北京航空航天大學劉明杰（通訊作者）等在Angew. Chem. Int. Ed.上發表了題為“Biphasic Synergistic Gel Materials with Switchable Mechanics and Self-Healing Capacity”的研究論文，報道了具備可變換機械性能和自愈合能力的雙相協同凝膠材料（BSGs）的最新研究成果。研究人員通過在彈性水凝膠基體內緊密堆積微夾雜物制備得到了機械性能可變且具備自愈合特性的雙相凝膠。研究發現：由于可轉換的微夾雜物結合到水凝膠基質中，材料表現出優異的可調控力學和形狀記憶性能；同時雙相異構網絡的非共價效應，材料表現出優異的自修復能力。作為一種理想的復合凝膠材料，雙相凝膠有望應用于柔性驅動器，柔性器件和生物材料等領域。

【圖文導讀】

圖1. BSGs的制備與表征

(a) DMA, SMA和EGDMA的分子結構以及納米粘土的原理圖。

(b) 高內相乳液制備的BAG示意圖。

(c) BSGs的異質界面結構和微夾雜物的熔融 - 結晶過渡示意圖。

(d) BSGs結構的CLSM圖像。該圖像藍色區域為水凝膠基質，橙色區域為微夾雜物。 比例尺：20 μm。

(e) BSG內部結構的SEM圖片。比例尺：10 μm。

?圖2. BSGs的機械性能

(a) PDMA水凝膠，PSMA網絡和BSGs在20 ℃條件下的壓應力-應變曲線 。

(b) 加載重量為500 g的負載后，BSG₅和PDMA水凝膠的壓縮變形的圖像。

(c) BSG樣品的DSC熱分析曲線，其中熔融溫度(T_m)為6 ℃，結晶溫度(T_crys)為25.2 ℃。

(d) 不同溫度下當為8 rad s^-1時，BSG_0.5樣品的儲存模量(G')。

(e) BSG₅樣品在溫度循環測試中的G'值。

(f) BSG₅在20 ℃和60 ℃下拉伸載荷下的熱力學曲線。

(g) 60 ℃下具有不同交聯密度的BSG的拉伸應力-應變曲線。

圖3. BSGs的自恢復和自愈合性能

(a) 20 ℃條件下BSG₁的負載-卸載壓縮測試曲線。

(b) 40 ℃和60 ℃條件下BSG₁的負載-卸載壓縮測試曲線。

(c) BSG₁的自愈合特性展示。(i) 切成兩半的BSG_0.1, (ii) 加熱后被切開的BSG_0.1完全愈合。

(d) BSG樣品容易承受拉伸并承受500 g的拉伸載荷。

(e) 原始和愈合后的BSG₁樣品的拉伸應力-應變曲線。

圖4. BSGs的形狀記憶性能特性

(a) BSGs的形狀記憶過程示意圖：演化、修復和恢復。

(b) BSGs在形狀記憶過程中的內部結構示意圖。

(c) BSG樣品的形狀記憶性能圖像。

(d) 重量為28 g的壓縮BSG_0.5在加載重量200 g的負載后恢復到原始形狀。

(f) 臨時延伸狀態下BSGs的對應結構的表征。CLSM圖像和SAXS圖像實時顯示了形狀記憶過程中BSGs內部結構的變形。 比例尺：10 μm。

圖5. BSGs的形狀記憶性能

通過加熱和冷卻到不同溫度（20, 40和80 ℃），BSGs從臨時形狀2逐步恢復至臨時形狀2并最終恢復至初始形狀。

【小結】

通過將具有可切換相變特性的微夾雜物結合到無反應性水凝膠基質中，研究人員制備得到了機械性能可變且具備自愈合特性的雙相凝膠。研究發現：由于可轉換的微夾雜物結合到水凝膠基質中，材料表現出優異的可切換力學和形狀記憶性能；異質結構衍生的可變機械性能使得材料具備較高的應變和剛度形狀記憶效應。由于雙相異構網絡的非共價效應，材料表現出優異的自愈合能力。該方法為未來智能柔性材料的設計和制備提供了一定的思路參考。

文獻鏈接：Biphasic Synergistic Gel Materials with Switchable Mechanics and Self-Healing Capacity(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI:?10.1002/ange.201707239)

本文由材料人編輯部張杰編譯，丁菲菲審核，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！