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第一作者：Shaoji Wu

通訊作者：Wen Feng, 嚴(yán)玉蓉

通訊單位：華南理工大學(xué)

嚴(yán)玉蓉，華南理工大學(xué)教授，材料學(xué)院博導(dǎo)。2002年7月到華南理工大學(xué)高分子系任教至今。于2005年2至2007年8月于華南理工大學(xué)輕工站和新會(huì)美達(dá)股份有限公司博士后工作站從事博士后研究工作。2007年2月到6月于美國Akron大學(xué)從事訪問研究工作。2005年12月被聘為副教授，2006年被聘為碩士生導(dǎo)師。2007年于美國Akron大學(xué)從事訪問研究工作。2017年于瑞士聯(lián)邦材料研究所EMPA訪問研究。2009-2016年擔(dān)任華南理工大學(xué)材料學(xué)院高分子材料與科學(xué)工程系副主任。

論文速覽

在柔性電子設(shè)備中，理想的水凝膠纖維被用作驅(qū)動(dòng)和傳感元件。然而，由于分子（鏈）相互作用的內(nèi)在弱點(diǎn)，目前的水凝膠纖維展現(xiàn)出較差的力學(xué)性能和環(huán)境穩(wěn)定性。受蜘蛛絲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多級(jí)調(diào)節(jié)啟發(fā)，作者構(gòu)建了具有精細(xì)離子交聯(lián)和結(jié)晶域的仿生水凝膠纖維。

這些仿生水凝膠纖維展現(xiàn)出與蜘蛛絲相媲美的韌性，并且通過仿生結(jié)構(gòu)工程策略，可實(shí)現(xiàn)其他聚合物和無機(jī)鹽的廣泛可調(diào)力學(xué)性能。此外，引入無機(jī)鹽/甘油/水三元溶劑在構(gòu)建仿生結(jié)構(gòu)過程中，賦予水凝膠纖維抗凍、保水和自再生的特性。該工作為制造具有高力學(xué)性能和穩(wěn)定性的水凝膠纖維提供了新思路。

圖文導(dǎo)讀

圖1：受蜘蛛絲啟發(fā)，設(shè)計(jì)的具有離子和結(jié)晶域交聯(lián)的水凝膠纖維。

圖2：S-PAZr水凝膠纖維的結(jié)構(gòu)演變和增韌機(jī)制。

圖3：S-PAZr水凝膠纖維的力學(xué)性能。

圖4：BSE策略被推廣到Hofmeister效應(yīng)敏感聚合物和無機(jī)鹽的不同組合。

圖5：S-PAZr水凝膠纖維的環(huán)境耐受性。

圖6：S-PAZr水凝膠纖維的柔性傳感性能。

總結(jié)展望

本研究提出的仿生結(jié)構(gòu)工程策略（BSE）制備了具有高力學(xué)性能和環(huán)境耐受性的水凝膠纖維。通過精細(xì)調(diào)節(jié)離子交聯(lián)和結(jié)晶域，這些纖維展現(xiàn)出與蜘蛛絲相媲美的韌性（162.25 ± 21.99 MJ/m3），并且能夠通過改變離子交聯(lián)和結(jié)晶域的濃度輕松定制其機(jī)械性能，特別是彈性模量可以從凝膠級(jí)別提高到聚乙烯水平（3.74 ± 0.16 MPa至118.53 ± 5.49 MPa）。

此外，由于甘油的強(qiáng)大氫鍵效應(yīng)和無機(jī)鹽的水合效應(yīng)，仿生水凝膠纖維在-40 °C下展現(xiàn)出0.0014 mS/cm的電導(dǎo)率和優(yōu)異的機(jī)械性能（應(yīng)力>50 MPa，應(yīng)變>200%），并且能夠自發(fā)地從空氣中捕獲水分子以自修復(fù)到原始狀態(tài)。BSE策略的普適性也得到了驗(yàn)證，適用于不同的霍夫邁斯特效應(yīng)敏感聚合物和無機(jī)鹽組合。考慮到離子協(xié)調(diào)和Hofmeister效應(yīng)在各種聚合物和溶劑系統(tǒng)中的普遍性，相信BSE策略可以應(yīng)用于更多系統(tǒng)，以推動(dòng)其應(yīng)用。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Spider-silk-inspired strong and tough hydrogel fibers with anti-freezing and water retention properties

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-48745-9

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