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简易方法制备具有分层纤维结构的各向异性水凝胶

       目前人类合成聚合物纤维常用的方法有湿法纺丝、熔融纺丝、静电纺丝以及微流体技术,纤维尺寸可以控制在微米或微米以下,但是构建具有纤维分层对齐且具备各向异性的水凝胶还是个挑战。自然界中,生物聚合物例如胶原蛋白从细胞中分泌并自组装进入肌肉纤维中,可以自发模板化横向排列形成纳米到微米尺寸的密集层次结构。这种自组装行为是由于细胞和动态超微粒子之间的相互作用产生了定向排列的机械信号。受此启发,在凝胶形成过程中施加一个机械信号可能对内部凝胶纤维自主装起到诱导作用。
        近日,北海道大学的Md. Tariful Islam Mredha等人在《Advanced Materials》期刊上发表的一篇研究中(First published:17 January 2018),作者分别使用纤维素以及藻酸盐制备凝胶,干燥过程将凝胶的两端固定,相当于施加一个机械信号在凝胶上。随着干燥时间增长,凝胶体积厚度都减小,聚合物链之间形成氢键在长度固定方向上对齐排列并且得到分层结构。由于纤维链间形成稳定氢键,溶胶再溶胀后依然保留对齐排列的分层结构。接着作者探究了凝胶的形变过程是否涉及能量耗散机制,发现所有凝胶形变后都存在恢复滞后的现象,说明凝胶的形变破坏了一定的化学键,而30分钟后75%的滞后都得到恢复,说明形变破坏的离子键和氢键是可逆的。这种通过施加机械信号而完成纤维定向自组装的凝胶表现出了更好的力学性能。
        作者通过施加简单的机械信号制备出完全对齐的纤维水凝胶和仿生分层结构体。这种方法可以通过控制干燥过程中的机械信号强度影响制备凝胶的取向分层结构从而调整材料的强度和韧性。这可能在未来仿生材料上有所应用。(来源:QYIM & AMSC K FANG 编报)

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