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媲美合金钢的强度和韧性的蜘蛛丝
媲美合金钢的强度和韧性的蜘蛛丝
来源:ustc | 10/15/2018 10:43:08 AM | 浏览:283 | 评论:1

看过电影《蜘蛛侠》的朋友们肯定会对蜘蛛丝印象深刻:蜘蛛侠靠着一束蜘蛛丝就能在摩天大楼之间飞檐走壁。你也许会问,蜘蛛丝真的有这么神奇么?事实上,科学家们在半个世纪前就发现:蜘蛛丝是最强的生物材料,它的强度和韧性都超过合金钢。

但是,我们似乎感觉不出蜘蛛丝的强悍之处,轻轻一下就可以破坏一个蜘蛛网。为什么我们的感觉与科学家的结论不一致呢?这是因为蜘蛛丝非常细,它的直径通常是几微米,只有一根头发丝的直径的几十分之一。

媲美合金钢的强度和韧性的蜘蛛丝

图1 蜘蛛网的图片

这么细的蜘蛛丝为什么有媲美合金钢的强度和韧性呢?

这是因为,在蜘蛛丝中,多种蛛丝蛋白形成了刚性的结晶区(如图2中长方形片状结构所示)和柔性的非晶区(如曲线结构所示)。结晶区赋予蜘蛛丝高强度,而非晶区在外力作用下容易发生形变,赋予蜘蛛丝高韧性。

正是由于结晶区-非晶区共存并发挥协同效应,才使得蜘蛛丝具有优异的力学性能。

媲美合金钢的强度和韧性的蜘蛛丝

图2 蜘蛛丝的微观结构

很长时间以来,科学家们一直希望模仿蜘蛛丝的结构制造高性能的纤维材料。特别是近几年,由于柔性电子学的快速发展,人们希望把传统的电子器件做成可弯曲、可拉伸的柔性器件,可以舒服的穿戴在身上。为了满足这一需求,发展弹性可拉伸的导电纤维就变得非常重要,这种纤维是制备可拉伸电子器件的关键材料。

导电水凝胶是一种具有一定的弹性和可拉伸性的导电材料,但传统的导电水凝胶具有无序的微观结构,严重限制了其力学性能和导电性能。

受到蜘蛛丝有序结构的启发,中国科学技术大学的马明明教授提出了制备弹性可拉伸导电纤维的一种全新的策略,通过凝胶纺丝的方法,实现了调控导电水凝胶中高分子链的排列和取向、制备出高性能导电水凝胶纤维的目标。这项工作发表在《自然·通讯》上,展现了巧妙的设计思路和优异的材料性能。

考虑到导电水凝胶纤维的成本和应用前景,马明明教授选取聚丙烯酸钠作为原料。聚丙烯酸钠是一种被广泛应用的高吸水性材料,工业产量大,价格低廉,安全无毒害,例如婴儿“尿不湿”中就含有它。聚丙烯酸钠易溶于水,但难溶于二甲亚砜。

如图3a所示,将聚丙烯酸钠溶解在水和二甲亚砜的混合溶剂中,得到粘稠的溶液,可以进行湿法纺丝。由于水比二甲亚砜更容易挥发,随着水的挥发,湿丝中二甲亚砜的含量不断升高,聚丙烯酸钠就会从溶液相中析出,形成水凝胶纤维。通过涂覆聚丙烯酸甲酯防水层,就可以得到防水的导电水凝胶纤维(MAPAH纤维)。

媲美合金钢的强度和韧性的蜘蛛丝

图3 a.对聚丙烯酸钠溶液进行纺丝的过程;b.水凝胶纤维中的有序结构。

如图3b所示,在导电水凝胶纤维中,结晶区和非晶区共存并且可以快速可逆互变,这一特征与蜘蛛丝的微观结构特征相似,使得导电水凝胶纤维表现出优异的机械性能、导电性能以及抗冻性能。

如图4所示,导电水凝胶纤维具有高拉伸强度(5.6MPa)和大断裂伸长率(1200%),并且可以在大幅度拉伸后快速回复。聚丙烯酸钠水凝胶作为导电芯(电导率为2S m-1),聚丙烯酸甲酯层作为防水和绝缘涂层,使导电水凝胶纤维可以作为具有高可拉伸性的弹性导线。导电水凝胶纤维在零下35oC的低温下也能保持其可拉伸性和导电性,表现出优异的抗冻性能。

作为一种高性能和低成本的弹性可拉伸导电水凝胶纤维,导电水凝胶纤维将可用于开发基于纺织材料的可拉伸电子器件。

媲美合金钢的强度和韧性的蜘蛛丝

图4 上图展示了水凝胶纤维的外观和微观结构图。下图说明水凝胶纤维具有高强度和高韧性,并且在低温下可以保持其力学性能和导电性。

该研究的意义不仅仅限于制备了一种高性能的导电水凝胶纤维,可用于制造柔性电子器件,该研究对模仿蜘蛛丝的微观结构制备高性能材料同样具有重要意义,为以后的相关研究工作提供了新思路。

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Ximin H.说:留言于2018-10-16 13:44:28(第1条)
非常巧妙的方法, 有效实现对导电水凝胶的高分子晶区和非晶区的控制, 从而实现高拉伸等独特性质。
 
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