德国哥廷根大学:利用动态复合水凝胶构建多维度双折射材料

中研股份2019年5月15日讯  最近,德国哥廷根大学张凯教授领导的课题组充分利用动态复合水凝胶的粘弹性,成功将流动液体的特性与静止液体的特性结合在一起,制造了形状和微观取向可调控的双折射材料。

水凝胶可由亲水的聚合物链在水中交联产生,其结构被交联的聚合物网络所稳定,同时包含大量的水。因此,水凝胶常常表现出明显的粘弹性特点。换言之,这种材料既可以表现出固体材料的弹性行为,也能展现出液体的塑性行为。水凝胶具有高含水量和易于设计的微观结构,广泛应用于生物医学工程和柔性电子器件等领域。然而,动态水凝胶中的液体行为却缺少足够的研究,同时限制了其更广泛、有效的应用。

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图1.(a)动态复合水凝胶的组成;(b)纤维素纳米微晶在动态水凝胶中的取向

在剪切力或轴向拉伸的牵引下,由硼酸酯键(boronate ester bond)交联的动态水凝胶表现出剪切变稀的现象,并驱动其中纤维素纳米微晶(CNC)的流体力学取向(hydrodynamic alignment)。然而在外力撤销后,由于纤维素纳米微晶的触变性,其取向结构被保存在快速松弛的水凝胶网络中,从而留下流动液体的“足迹”。接下来通过静置干燥,伸长的水凝胶转变成干凝胶(xerogel),在此过程中,水凝胶表面张力则进一步增进了纤维素纳米微晶的取向,因此在交叉的偏振片间展现出彩虹状的干涉色。

不同于一般的流体力学取向过程,在动态水凝胶中,纤维素纳米微晶的取向不需要收敛的流动通道,而是直接被水凝胶收敛的边界所限制。因此,所得到的干凝胶不仅表现出可调控的双折射现象,其几何形状也可以进一步编辑:如形成不同截面形状的纤维、薄膜,甚至扭转的弹簧结构。此外,在表面张力的驱动下,拉伸干燥的管状干凝胶可以形成向内凹陷的环状曲面。迄今为止,这是第一种可以构建的中空类悬链曲面(pseudo catenoid),并形成各向异性微观结构的方法。

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图2.(a)不同宽厚比的干凝胶薄膜;(b)不同截面的干凝胶纤维;(c)由管状水凝胶形成的类悬链曲面

该研究表明,通过充分运用动态复合水凝胶中的液体行为,动态液体和静态液体的特性可以在同一材料的成型制备中得以体现。同时借助水凝胶自身的边界,这些液体特性可以拓展到无需模具支撑的三维复杂结构中。相关成果发表在ACS Nano上,论文第一作者为Heqin Huang博士,通讯作者为张凯教授。

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