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《ACS Nano》“固體”中的液體行為：動態復合水凝膠制造多維度雙折射材料

2019-03-13 13:14:01 作者：本網整理來源：高分子科學前沿分享至：

液-固轉變過程被廣泛用于聚合物材料的加工和生產。除了常見的注塑成型，通過固化流動中的液體，可以調控材料內部結構的取向。此外，在靜態的液體系統中，液滴的表面張力可以塑造平滑的球面，平面，或其他特殊曲面，進而賦予材料復雜的幾何形狀。然而，這些液體特性在材料制造中的運用仍然面臨挑戰：液體固化的過程非常依賴模具的支撐，流動的液體更需要特殊設計的流動通道；同時，流動的液體和靜態的液體無法共存于同一系統中，因而很難將兩者的特點集成在同一材料的制備中。

近日，德國哥廷根大學Kai Zhang教授帶領的研究團隊在ACS Nano上發表了題為“Liquid behaviors-assisted fabrication of multidimensional birefringent materials from dynamic hybrid hydrogels”的文章，該工作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，并驅動了內部纖維素納米晶（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，從而留下了流動液體的“足跡”。將伸長的水凝膠靜置干燥即可轉變成干凝膠（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干涉色，b）纖維素納米晶的取向原理。

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，其幾何形狀也可以被自由的編輯：如形成不同截面形狀的薄膜，纖維，以及扭轉的彈簧結構。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，這也是第一種可以制造中空的類懸鏈曲面（pseudo catenoid）并形成各向異性微觀結構的方法。