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新一代無硼有機(jī)硅剪切硬化膠的開發(fā)
近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料所何睿團(tuán)隊及合作者們成功開發(fā)出一種具有力學(xué)響應(yīng)性的有機(jī)硅凝膠。這種凝膠在高速沖擊力的作用下，材料內(nèi)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(hù)材料。相關(guān)成果在國際權(quán)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(tǒng)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(lián)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(shí)驗證明長期接觸硼酸可能導(dǎo)致中毒反應(yīng)。這些安全隱患嚴(yán)重限制了SSG在諸多領(lǐng)域的應(yīng)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(tuán)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(dǎo)的氫鍵增強(qiáng)策略調(diào)控超分子網(wǎng)絡(luò)中的氫鍵強(qiáng)度，來替代傳統(tǒng)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(chǎn)生更強(qiáng)的氫鍵相互作用(圖1)。當(dāng)承受高頻剪切應(yīng)力時，氫鍵形成的動態(tài)可逆網(wǎng)絡(luò)難以斷裂，無序的高分子鏈無法松弛和解纏，高分子鏈運(yùn)動受限在宏觀尺度上呈現(xiàn)出高剛性狀態(tài)。本工作開發(fā)的新型PTS SSG克服了傳統(tǒng)PBS體系的腐蝕性和毒性問題，同時提出的金屬離子介導(dǎo)的氫鍵增強(qiáng)策略為其他超分子功能材料構(gòu)建提供了新路徑。
研究團(tuán)隊實(shí)現(xiàn)“新一代無硼有機(jī)硅剪切硬化膠”的開發(fā)，工作亮點(diǎn)如下：
優(yōu)異的剪切變硬性能：PTS SSG 在 0.1-100 Hz 頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出高達(dá) 2800 倍的剪切變硬性能，具有優(yōu)異的沖擊防護(hù)能力。
優(yōu)異的生物相容性:與傳統(tǒng)的PBS SSG相比，PTS SSG 具有極低的細(xì)胞毒性 (Grade 1)，使其成為安全可靠的智能凝膠材料。
應(yīng)用潛力廣泛:PTS SSG 可用于制備抗沖擊材料、應(yīng)力傳感器等，展現(xiàn)出其在智能材料領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。
金屬離子介導(dǎo)策略:通過引入變價金屬離子，調(diào)節(jié)氫鍵供體和受體的靜電勢，從而顯著增強(qiáng)氫鍵強(qiáng)度，大幅提升刺激響應(yīng)性能。
此外，該研究工作提出的金屬離子介導(dǎo)的氫鍵增強(qiáng)策略也為其他具有動態(tài)可逆網(wǎng)絡(luò)的智能凝膠材料開發(fā)提供了新的設(shè)計思路。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)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(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等項目支持。
圖1 PTS SSG 結(jié)構(gòu)設(shè)計和剪切硬化機(jī)理示意圖
圖2 PTS SSG 性能優(yōu)化實(shí)驗數(shù)據(jù)
圖3 位阻效應(yīng)對剪切硬化性能影響探究
圖4 金屬離子介導(dǎo)的氫鍵增強(qiáng)機(jī)理研究
圖5 PTS SSG的細(xì)胞毒性評估及應(yīng)用展示
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