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《ACS Nano》“固體”中的液體行為：動(dòng)態(tài)復(fù)合水凝膠制造多維度雙折射材料

2019-03-13 13:14:01 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：高分子科學(xué)前沿分享至：

液-固轉(zhuǎn)變過程被廣泛用于聚合物材料的加工和生產(chǎn)。除了常見的注塑成型，通過固化流動(dòng)中的液體，可以調(diào)控材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的取向。此外，在靜態(tài)的液體系統(tǒng)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(jìn)而賦予材料復(fù)雜的幾何形狀。然而，這些液體特性在材料制造中的運(yùn)用仍然面臨挑戰(zhàn)：液體固化的過程非常依賴模具的支撐，流動(dòng)的液體更需要特殊設(shè)計(jì)的流動(dòng)通道；同時(shí)，流動(dòng)的液體和靜態(tài)的液體無(wú)法共存于同一系統(tǒng)中，因而很難將兩者的特點(diǎn)集成在同一材料的制備中。

近日，德國(guó)哥廷根大學(xué)Kai Zhang教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在ACS Nano上發(fā)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(dòng)態(tài)復(fù)合水凝膠的粘彈性，成功將流動(dòng)液體的特性與靜止液體的特性結(jié)合在一起，制造了形狀和微觀取向可調(diào)控的雙折射材料。

圖1：a）動(dòng)態(tài)復(fù)合水凝膠的組成，b）纖維素納米晶在動(dòng)態(tài)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(lián)的動(dòng)態(tài)水凝膠表現(xiàn)出剪切變稀的現(xiàn)象，并驅(qū)動(dòng)了內(nèi)部纖維素納米晶（CNC）的流體力學(xué)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(jié)構(gòu)被保存在快速松弛的水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，從而留下了流動(dòng)液體的“足跡”。將伸長(zhǎng)的水凝膠靜置干燥即可轉(zhuǎn)變成干凝膠（xerogel）。在此過程中，水凝膠表面張力則進(jìn)一步增進(jìn)了纖維素納米晶的取向，因此在交叉的偏振片間展現(xiàn)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(xué)取向過程，在動(dòng)態(tài)水凝膠中，纖維素納米晶的取向不需要收斂的流動(dòng)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(xiàn)出可調(diào)控的雙折射現(xiàn)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(zhuǎn)的彈簧結(jié)構(gòu)。此外，在表面張力的驅(qū)動(dòng)下，拉伸干燥的管狀干凝膠可以形成向內(nèi)凹陷的環(huán)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(jié)構(gòu)的方法。

圖3：構(gòu)建不同的幾何形狀， a）膜， b）纖維， c）中空類懸鏈曲面。

該研究表明，通過充分運(yùn)用動(dòng)態(tài)復(fù)合水凝膠中的液體行為，動(dòng)態(tài)液體和靜態(tài)液體的特性可以在同一材料的成型制備中得以體現(xiàn)。同時(shí)借助水凝膠自身的邊界，這些液體特性可以被拓展到無(wú)需模具支撐的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)中。

哥廷根大學(xué)Kai Zhang課題組長(zhǎng)期以來(lái)致力于天然可再生材料的物理和化學(xué)方面的研究。其中一個(gè)重要的研究方向是天然可再生材料，如納米纖維素，在構(gòu)建高性能功能材料方面的應(yīng)用及其所展現(xiàn)的獨(dú)特物化性質(zhì)。

論文全文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b00551課題組主頁(yè)：

http://www.uni-goettingen.de/de/513437.html

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責(zé)任編輯：韓鑫

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