近日,中國科學院深圳先進技術研究院材料所何睿團隊及合作者們成功開發(fā)出一種具有力學響應性的有機硅凝膠。這種凝膠在高速沖擊力的作用下，材料內部的彈性模量顯著提升而迅速變硬，是一種具有能量緩沖作用的防護材料。相關成果在國際權威期刊Nature Communications上發(fā)表題為“Supramolecular networks with high shear stiffening enabled by metal ion-mediated hydrogen bonding enhancement strategy”的研究論文。
傳統的剪切硬化膠（SSG）通常為聚硼硅氧烷體系（PBS），它是通過硼酸（BA）在高溫下交聯聚二甲基硅氧烷（PDMS）制備而成。硼酸不僅對鋼鐵和混凝土具有腐蝕性，而且在高溫下腐蝕速率加劇，更有多項動物實驗證明長期接觸硼酸可能導致中毒反應。這些安全隱患嚴重限制了SSG在諸多領域的應用，因此開發(fā)新一代無硼SSG迫在眉睫。
針對上述問題，何睿團隊開發(fā)出新型聚鈦硅氧烷體系（PTS），首次提出基于金屬離子介導的氫鍵增強策略調控超分子網絡中的氫鍵強度，來替代傳統PBS體系中的B-O動態(tài)鍵。與PTS中的Si-OH相比，體系中Ti3⁺-OH的O原子電荷密度更高，而Ti4⁺-OH的H原子電荷密度更低，因此作為氫鍵供體和受體能產生更強的氫鍵相互作用（圖1）。當承受高頻剪切應力時，氫鍵形成的動態(tài)可逆網絡難以斷裂，無序的高分子鏈無法松弛和解纏，高分子鏈運動受限在宏觀尺度上呈現出高剛性狀態(tài)。本工作開發(fā)的新型PTS SSG克服了傳統PBS體系的腐蝕性和毒性問題，同時提出的金屬離子介導的氫鍵增強策略為其他超分子功能材料構建提供了新路徑。
研究團隊實現“新一代無硼有機硅剪切硬化膠”的開發(fā)，工作亮點如下：優(yōu)異的剪切變硬性能：PTS SSG 在 0.1-100 Hz 頻率范圍內表現出高達 2800 倍的剪切變硬性能，具有優(yōu)異的沖擊防護能力。優(yōu)異的生物相容性:與傳統的PBS SSG相比，PTS SSG 具有極低的細胞毒性 (Grade 1)，使其成為安全可靠的智能凝膠材料。應用潛力廣泛: PTS SSG 可用于制備抗沖擊材料、應力傳感器等，展現出其在智能材料領域的廣闊應用前景。金屬離子介導策略: 通過引入變價金屬離子，調節(jié)氫鍵供體和受體的靜電勢，從而顯著增強氫鍵強度，大幅提升刺激響應性能。此外，該研究工作提出的金屬離子介導的氫鍵增強策略也為其他具有動態(tài)可逆網絡的智能凝膠材料開發(fā)提供了新的設計思路。中國科學院深圳先進技術研究院材料人工智能研究中心何睿副研究員為論文唯一通訊作者，陳卓博士及陳恒博士為論文共同第一作者。研究獲國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項等項目支持。
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