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“超能”新材料1+1≥10

来源:中国科学报2022-02-28 09:34

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  你能想象0.2克的“绳子”可以提起5千克重的物体吗?没开玩笑,这是科研人员最新研发出的一种力学性能惊人的新材料,它不但具有很好的拉伸性能,拉伸长度达600%,还非常坚韧。

  近日,美国北卡罗来纳州立大学Dickey实验室博士后王美香以第一作者的身份在《自然—材料》发表论文,介绍了这款新材料。它是一种离子液体凝胶,在抗拉伸性能和韧性上创造了这类材料的最高纪录,也展现出比水凝胶更广阔的应用前景。

  评审专家之一、美国麻省理工学院教授赵选贺认为,“这些透明的离子液体凝胶具有非常坚韧的机械性能,最大的亮点是制作简单、易于使用。”

  1+1≥10,凝胶界的“佼佼者”

  “通常凝胶的机械性能很弱,比如豆腐。但在自然界中也有例外,比如人体内的软骨。一些研究人员一直在努力制造坚韧的凝胶,这启发了我们。”论文共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学Dickey实验室负责人Michael D. Dickey教授告诉《中国科学报》。

  此次创造出的离子液体凝胶含有超过60%的离子液体,主要包含丙烯酸和丙烯酰胺两种物质,前者是用于婴儿尿不湿吸水的主要材料,后者是用于隐形眼镜的主要材料。最后,混合材料兼具了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸离子液体凝胶的优点,实现了1+1≥10的效果。

  王美香介绍,新材料透明度达90%以上,其内部的聚合物网络微结构使凝胶拥有极高的力学性能,可拉伸且非常坚韧。拉伸的长度能达600%,模量有约50个兆帕,断裂强度约有13个兆帕。这是目前离子液体凝胶界的最高纪录。

  论文中展示的是,用0.2克离子液体凝胶材料轻松提起1千克重量的物体。事实上提起5千克也不在话下,但因实验室没有5千克的标准件,他们后来用5千克的水桶做了实验,材料本身没有任何破损。

  离子液体这种溶剂本身不挥发,且具有很高的热稳定性和导电性。因此,这款离子液体凝胶具有广阔的应用前景,“可用于电池、传感器、3D打印、驱动器和柔性电子设备等”。Dickey说。

  可穿戴柔性电子器件是当下科研热门之一,对材料的要求极高,要同时满足可弯折、扭曲、拉伸等需求。以往用得较多的是传统柔性材料——水凝胶,但水凝胶的稳定性是个大问题,长期暴露在空气中会导致水分蒸发、性能受损。

  “离子液体凝胶完全可以替代水凝胶在可穿戴柔性电子器件上的应用。首先它很稳定,不挥发,不需要任何包覆;其次具有高导电性,不需要额外添加导电介质;可穿戴设备往往需要大变形,离子液体凝胶还可以用来开发应变传感器。”王美香说,“还有一点,它具有自愈合和形状记忆的特性。”

  一步法轻松做成

  长期以来,在凝胶材料领域最火的非水凝胶莫属。实际上,水凝胶在生活中已相当常见。比如,隐形眼镜、果冻、龟苓膏等都是水凝胶的“产物”。

  自62年前水凝胶横空出世,科研人员便努力挖掘其力学性能,涌现了无数重大成果。但同为凝胶材料,离子液体凝胶领域的研究则发展较慢,例如力学性能研究还是一块空白,很难达到与高强度水凝胶相媲美的程度。

  在这篇论文发表之前,合成高强度离子液体凝胶并不容易。为了提高材料的力学性能,一些研究人员采用多步法或者溶剂交换,整个过程耗时长、成本高,而且浪费资源。

  挑战不可能,这是科研工作者骨子里的基因。恰好离子液体这种溶剂的“七十二般变化”也让王美香着迷。

  “顾名思义,水凝胶用的溶剂只有一种,就是水,而离子液体凝胶用的溶剂是离子液体,有成千上万种,这正是它的魅力所在。”王美香对《中国科学报》说,离子液体在室温下是一种液态的熔融盐,含有正离子和负离子,只要熔融盐里的正负离子不一样,就可以实现离子液体的千变万化。

  研究选材是从聚丙烯酸和聚丙烯酰胺的单体开始的。

  最初,王美香把两种材料分开来做。当把丙烯酰胺溶到离子液体后,产生的凝胶跟她预想的完全不一样,不透明、发白,就像晒干的面条一样特别脆,一碰就断。随后她又试了丙烯酸,做出来的凝胶则超级软,透明度达到百分百。

  完全就是两种极端!这让她无比兴奋,如果把三者混在一起,会擦出什么样的火花呢?

  “把丙烯酰胺和丙烯酸溶到离子液体里,再加入引发剂和交联剂,然后混匀,用高功率紫外灯照射,3分钟就能制作出论文中这种新型混合材料。”王美香说,“就是这么简单。”

  一步法就这样诞生了。它为离子液体凝胶研究开启了新世界的大门。

  为实验蓄能,把理论变为现实

  王美香在西安交通大学读博期间,一直从事水凝胶研究。她看到离子液体凝胶材料的巨大潜力,便萌生了调整研究方向的想法。

  2018年12月,王美香在西安交通大学获得材料科学与工程博士学位后,进入北卡罗来纳州立大学Dickey实验室做博士后,主要致力于高机械性能凝胶材料的设计和制备,研究其在可穿戴柔性电子器件、全固态电池以及超级电容器、传感器和驱动器等领域的应用。

  在新的平台,王美香顺利转换到新赛道,开始离子液体凝胶材料研究。但是,她刚进入北卡罗来纳州立大学,新冠疫情就来了,一下打乱了研究计划。

  学校封闭,无法进入实验室,王美香就利用这段时间查阅文献,为实验蓄能。在家“闭关”3个月后,终于等来复工的消息,她便一头扎进实验里,每天在实验室待8个小时,把实验过程中看到的现象记录下来,晚上回家查资料分析这些现象的成因。

  幸运的是,这项工作从始至终都比较顺利,这篇论文投给期刊也很快被接收,评审专家都对该成果作了很高的评价。

  “接下来,我们将进行应用方面的拓展,把离子液体凝胶与3D打印技术相结合,用于开发新型柔性机器人。”王美香说。

  参与这项研究的一共有9位作者,其中华人学者有4位,除了王美香,另外3位分别是论文共同通讯作者、西安交通大学教授胡建,西安交通大学硕士生张鹏尧,以及美国内布拉斯加州大学林肯分校研究助理教授钱文。(记者 张晴丹)

  相关论文信息:

  https://doi.org/10.1038/s41563-022-01195-4

[ 责编:赵宇豪 ]
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