科研進(jìn)展
蘭州化物所與湖北大學(xué)合作在Chemical Reviews發(fā)表“聚合物凝膠的力學(xué)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(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、致動(dòng)器和機(jī)器人、能源裝備、生物醫(yī)療工程、柔性生物電子、化妝品等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。凝膠的工程應(yīng)用需面對(duì)不同的環(huán)境工況條件，對(duì)聚合物凝膠的機(jī)械／力學(xué)性能及相關(guān)功能進(jìn)行調(diào)控，是該領(lǐng)域科學(xué)研究的重要前沿之一。
圖1．?具有優(yōu)異力學(xué)性能聚合物凝膠的典型應(yīng)用和評(píng)價(jià)參數(shù)
近期，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合成潤滑材料研究團(tuán)隊(duì)與湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院合作，在聚合物凝膠力學(xué)調(diào)控的分子機(jī)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(xué)機(jī)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(yīng)用領(lǐng)域和未來發(fā)展前景。
圖2．?聚合物凝膠的力學(xué)機(jī)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(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)聚合物凝膠可定制化及調(diào)控其力學(xué)性能的策略。研究顯示，力學(xué)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(tuán)引入非共價(jià)相互作用，及利用可逆的動(dòng)態(tài)鍵作為有效的力學(xué)耗散能等賦予凝膠材料不同的性能。研究認(rèn)為，凝膠的調(diào)控機(jī)制主要依賴于聚合物網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)、交聯(lián)劑效應(yīng)、非共價(jià)相互作用、納米晶域、鏈纏結(jié)以及分子的立體化學(xué)效應(yīng)，而力學(xué)調(diào)控的結(jié)構(gòu)工程策略主要是優(yōu)化體相網(wǎng)絡(luò)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(jī)械化學(xué)／力效應(yīng)、發(fā)展機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)以及對(duì)異質(zhì)模量進(jìn)行調(diào)節(jié)等。
基于力學(xué)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(huì)獲得極端力學(xué)性能，而且為物理和化學(xué)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(xué)機(jī)制和仿生制造方法，提出了“協(xié)同方法學(xué)”（synergistic methodology）的調(diào)控思想。在力學(xué)性能方面，協(xié)同方法學(xué)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(shí)現(xiàn)不同力學(xué)屬性之間的權(quán)衡，尤其在強(qiáng)度、韌性、彈性、疲勞、黏附等；在凝膠功能方面，協(xié)同方法學(xué)主要指實(shí)現(xiàn)力學(xué)性質(zhì)與電學(xué)、光學(xué)、生物摩擦學(xué)等性質(zhì)之間的兼容。聚合物凝膠構(gòu)筑協(xié)同方法學(xué)從材料性能和功能兩個(gè)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(duì)設(shè)計(jì)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(jià)值和理論指導(dǎo)作用。
相關(guān)研究工作以“Mechanical Regulation of Polymer Gels”為題，發(fā)表在Chemical Reviews （2024，https：／／doi．org／10.1021／acs．chemrev．3c00498）上。中國科學(xué)院大學(xué)博士生許成功為該論文第一作者，中國科學(xué)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(xué)郭志光教授為共同通訊作者。
上述工作得到國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）等的支持。
圖3．?協(xié)同方法學(xué)（synergistic methodology）在互不相容性質(zhì)的兼容性作用
