科研進展
蘭州化物所與湖北大學合作在Chemical Reviews發(fā)表“聚合物凝膠的力學調(diào)控”綜述文章
聚合物凝膠作為一類典型的類組織工程軟材料，在裝備動力傳動系統(tǒng)、致動器和機器人、能源裝備、生物醫(yī)療工程、柔性生物電子、化妝品等領域具有廣闊的應用前景。凝膠的工程應用需面對不同的環(huán)境工況條件，對聚合物凝膠的機械／力學性能及相關(guān)功能進行調(diào)控，是該領域科學研究的重要前沿之一。
圖1．?具有優(yōu)異力學性能聚合物凝膠的典型應用和評價參數(shù)
近期，中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室合成潤滑材料研究團隊與湖北大學材料科學與工程學院合作，在聚合物凝膠力學調(diào)控的分子機制和工程策略方面發(fā)表相關(guān)綜述文章，闡述了聚合物凝膠的力學機制、調(diào)控策略和仿生制造原理方法，展望了聚合物凝膠潛在的應用領域和未來發(fā)展前景。
圖2．?聚合物凝膠的力學機制與調(diào)控策略
文章提出了耦合多種相互作用構(gòu)筑網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)聚合物凝膠可定制化及調(diào)控其力學性能的策略。研究顯示，力學調(diào)控的分子工程可在分子尺度上編輯分子結(jié)構(gòu)、操縱官能團引入非共價相互作用，及利用可逆的動態(tài)鍵作為有效的力學耗散能等賦予凝膠材料不同的性能。研究認為，凝膠的調(diào)控機制主要依賴于聚合物網(wǎng)絡效應、交聯(lián)劑效應、非共價相互作用、納米晶域、鏈纏結(jié)以及分子的立體化學效應，而力學調(diào)控的結(jié)構(gòu)工程策略主要是優(yōu)化體相網(wǎng)絡以構(gòu)建高階耗散結(jié)構(gòu)，包括溶劑相調(diào)控及新穎構(gòu)筑策略、發(fā)揮機械化學／力效應、發(fā)展機械互鎖結(jié)構(gòu)以及對異質(zhì)模量進行調(diào)節(jié)等。
基于力學調(diào)控在分子工程和結(jié)構(gòu)工程的多種調(diào)控策略，研究發(fā)現(xiàn)分子和結(jié)構(gòu)尺度的耦合不僅會獲得極端力學性能，而且為物理和化學多種屬性之間的兼容提供了可操縱手段。作者融合凝膠材料的力學機制和仿生制造方法，提出了“協(xié)同方法學”（synergistic methodology）的調(diào)控思想。在力學性能方面，協(xié)同方法學主要是指將分子工程和結(jié)構(gòu)工程的各種調(diào)控策略完美地集成在同一體材料中，實現(xiàn)不同力學屬性之間的權(quán)衡，尤其在強度、韌性、彈性、疲勞、黏附等；在凝膠功能方面，協(xié)同方法學主要指實現(xiàn)力學性質(zhì)與電學、光學、生物摩擦學等性質(zhì)之間的兼容。聚合物凝膠構(gòu)筑協(xié)同方法學從材料性能和功能兩個調(diào)控視角出發(fā)，為解決材料互不相容性質(zhì)之間的沖突提供了新思路，對設計制備具有優(yōu)異性能與特殊功能的新型聚合物凝膠材料具有重要的參考價值和理論指導作用。
相關(guān)研究工作以“Mechanical Regulation of Polymer Gels”為題，發(fā)表在Chemical Reviews?。?span style="font-size: 16px; font-family: arial, helvetica, sans-serif; color: rgb(0, 0, 0); margin-top: 12px; margin-bottom: 12px; line-height: 1.5em;" data-index="9">2024，https：／／doi．org／10.1021／acs．chemrev．3c00498）上。中國科學院大學博士生許成功為該論文第一作者，中國科學院院士、蘭州化物所劉維民研究員，蘭州化物所黃金霞副研究員和湖北大學郭志光教授為共同通訊作者。
上述工作得到國家自然科學基金和中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）等的支持。
圖3．?協(xié)同方法學（synergistic methodology）在互不相容性質(zhì)的兼容性作用
