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第一作者：Wenqian He

通訊作者：劉遵峰，周翔，朱美芳

通訊單位：南開大學(xué)、中國(guó)藥科大學(xué)、東華大學(xué)

論文速覽

蜘蛛絲以其卓越的高強(qiáng)度和韌性組合而聞名，這源于紡絲過程中由蛋白質(zhì)肽鏈組裝成的層級(jí)結(jié)構(gòu)。

在本研究中，通過優(yōu)化聚合物鏈的柔韌性，建立了超細(xì)納米纖維，從而在聚電解質(zhì)人工蜘蛛絲中展現(xiàn)了介于1.83 GPa和238 MJ m^-3到0.53 GPa和700 MJ m^-3之間的斷裂強(qiáng)度和韌性的組合。

這是通過引入離子來控制聚合物鏈的解離，并在外部應(yīng)力下的蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝實(shí)現(xiàn)的。此外，人工蜘蛛絲具有熱驅(qū)動(dòng)的超收縮能力。本研究為設(shè)計(jì)高性能纖維材料提供了靈感。

圖文導(dǎo)讀

圖1：通過調(diào)節(jié)聚合物鏈的解離程度來建立聚電解質(zhì)人工蜘蛛絲的超細(xì)納米纖維。通過粗?；肿觿?dòng)力學(xué)模擬顯示，隨著解離程度α的增加，聚合物鏈簇從多分支形狀轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨冉怆x的狀態(tài)。

圖2：通過掃描電子顯微鏡(SEM)圖像展示了不同解離程度α值下PAF表面微帶的演變，以及PAF_α的斷裂應(yīng)力、斷裂應(yīng)變和韌性的比較。

圖3：通過原子力顯微鏡(AFM)相位圖像和偏振光顯微鏡(POM)圖像展示了PAF_α的不同α值下的納米纖維結(jié)構(gòu)和分子鏈的取向度，以及通過二維小角X射線散射(2D SAXS)和二維廣角X射線散射(2D WAXS)對(duì)納米纖維的取向度進(jìn)行量化。

圖4：展示了PAF_α基人工蜘蛛絲的驅(qū)動(dòng)性能，包括在不同α值下加熱前后的形態(tài)變化、驅(qū)動(dòng)應(yīng)變、工作能力和分子鏈取向度的依賴性。

總結(jié)展望

本研究通過精確控制分子鏈在納米結(jié)構(gòu)中的自組裝，成功制備了具有超細(xì)納米纖維的聚電解質(zhì)人工蜘蛛絲。

通過調(diào)節(jié)聚合物鏈的解離程度，實(shí)現(xiàn)了從1.83 GPa和238 MJ m^-3到0.53 GPa和700 MJ m^-3的優(yōu)異的可調(diào)力學(xué)性能。此外，所制備的人工蜘蛛絲展現(xiàn)出了熱驅(qū)動(dòng)的超收縮行為，這為其在軟機(jī)器人、柔性電子和智能設(shè)備中作為高性能、智能纖維的應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)策略。

研究還發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)慕怆x程度范圍有利于形成精細(xì)的納米纖維，從而獲得最佳的力學(xué)性能。這項(xiàng)工作不僅為高性能纖維材料的設(shè)計(jì)提供了新的思路，而且為3D打印、仿生智能材料和層級(jí)結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)可能性提供了啟發(fā)。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Establishing super?ne nano?brils for robust polyelectrolyte arti?cial spider silk and powerful arti?cial muscles

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-47796-2

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