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宁波材料所陈涛研究员在超分子形状记忆水凝胶材料方面取得系列进展  

2017-02-27 10:47:17|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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形状记忆高分子材料是一类具有保持临时形状的能力,且受到合适的外界刺激时又能够恢复初始形状的新型智能材料。与形状记忆合金或陶瓷相比,形状记忆高分子材料具有密度低、可恢复形变量大、易加工成型、形变温度可调等诸多优点,因而在柔性电子、生物医药、航空航天等高科技领域存在广泛的应用前景。然而,目前的相关研究主要集中在热致形状记忆高分子材料。虽然这类热响应性形状记忆材料在很多高科技领域拥有巨大的应用价值,仍然亟需开发可以在室温下实现形状记忆功能的新型高分子材料,尤其是在生物医用、软体机器人和纺织服装应用领域。 

近年来,随着超分子科学的发展,具有高度动态可逆特征的非共价作用(例如金属配位作用、主-客体作用和动态共价键等)在制备结构规整、性质可控的功能材料方面表现出了显著的优势。2014年以来,中科院宁波材料所智能高分子团队在陈涛研究员和张佳玮研究员的带领下先后将多种可逆作用引入形状记忆高分子材料领域,开发了一系列可以在室温下实现形状记忆功能的新型智能水凝胶材料。中国科学院宁波材料所陈涛研究员智能高分子材料课题组科研人员首先将动态硼酸酯键和金属配位作用引入形状记忆高分子材料中,构建了具有自修复性能的室温形状记忆水凝胶体系(Chem. Commun. 2014, 50,12277);还通过对超分子作用力的选择,获得了具有生物分子响应的形状记忆高分子材料,并显著提高了材料的形状恢复速度(Macromol. Rapid Commun. 2015, 36, 533);此外,受到贻贝粘附蛋白的启发,利用苯硼酸和多巴胺的邻苯二酚官能团间的动态硼酸酯键制备了兼具室温形状记忆、自修复和高粘附性能的新型多功能水凝胶体系(Polym. Chem., 2016, 7, 5343)。

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Figure 1. 基于两种互不干扰超分子作用力的双网络超分子形状记忆水凝胶的构建

但是我们注意到,目前超分子形状记忆水凝胶材料的研究尚处于起步阶段,材料普遍存在力学性能较差,且只能记忆一个临时形状等不足。在以前的研究基础上,中国科学院宁波材料所陈涛研究员智能高分子材料课题组科研人员将可有效提升水凝胶力学性能的双网络结构设计理念引入形状记忆高分子材料,有效提升了超分子形状记忆水凝胶材料的力学性能(Figure 1);并通过外界刺激序列调控体系内的动态硼酸酯键和金属配位作用,成功构筑了具有三重形状记忆功能的双网络超分子水凝胶(Chem. Sci., 2016, 7, 6715)。采用类似的双网络结构设计理念,将具有多重刺激响应性的动态席夫碱键和壳聚糖—金属离子配位作用引入水凝胶体系中,成功开发了一类具有多重刺激响应性的超分子形状记忆水凝胶材料(Chem. Commun., 2016, 52, 13292)。

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Figure 2.超分子形状记忆水凝胶材料的形状记忆机理

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Figure 3.目前用于构筑超分子形状记忆水凝胶材料的可逆作用力

基于上述系列研究成果及近几年在超分子形状记忆水凝胶材料领域的研发经验,近期在化学领域权威综述刊物Chem. Soc. Rev. (DOI: 10.1039/c6cs00754f)上发表综述文章,系统介绍了近年来超分子形状记忆水凝胶材料相关研究的最新进展,对具有二重和三重形状记忆功能的超分子水凝胶材料的通用设计思路和构建策略进行了细致的梳理和总结(Figure 2和Figure 3),并展望了这类材料的未来发展方向及在航空航天、生物医药等高科技领域的应用前景。

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