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        “超能”新材料1+1≥10

        2022-03-12 14:07:57張晴丹
        科學導報 2022年14期
        關(guān)鍵詞:力學性能研究

        張晴丹

        你能想象0.2克的“繩子”可以提起5千克重的物體嗎?沒開玩笑,這是科研人員最新研發(fā)出的一種力學性能驚人的新材料,它不但具有很好的拉伸性能,拉伸長度達600%,還非常堅韌。

        近日,美國北卡羅來納州立大學Dickey實驗室博士后王美香以第一作者的身份在《自然—材料》發(fā)表論文,介紹了這款新材料。它是一種離子液體凝膠,在抗拉伸性能和韌性上創(chuàng)造了這類材料的最高紀錄,也展現(xiàn)出比水凝膠更廣闊的應(yīng)用前景。

        評審專家之一、美國麻省理工學院教授趙選賀認為,“這些透明的離子液體凝膠具有非常堅韌的機械性能,最大的亮點是制作簡單、易于使用?!?/p>

        “通常凝膠的機械性能很弱,比如豆腐。但在自然界中也有例外,比如人體內(nèi)的軟骨。一些研究人員一直在努力制造堅韌的凝膠,這啟發(fā)了我們。”論文共同通訊作者、北卡羅來納州立大學Dickey實驗室負責人Michael D. Dickey教授告說。

        此次創(chuàng)造出的離子液體凝膠含有超過60%的離子液體,主要包含丙烯酸和丙烯酰胺兩種物質(zhì),前者是用于嬰兒尿不濕吸水的主要材料,后者是用于隱形眼鏡的主要材料。最后,混合材料兼具了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸離子液體凝膠的優(yōu)點,實現(xiàn)了1+1≥10的效果。

        王美香介紹,新材料透明度達90%以上,其內(nèi)部的聚合物網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)使凝膠擁有極高的力學性能,可拉伸且非常堅韌。拉伸的長度能達600%,模量有約50個兆帕,斷裂強度約有13個兆帕。這是目前離子液體凝膠界的最高紀錄。

        論文中展示的是,用0.2克離子液體凝膠材料輕松提起1千克重量的物體。事實上提起5千克也不在話下,但因?qū)嶒炇覜]有5千克的標準件,他們后來用5千克的水桶做了實驗,材料本身沒有任何破損。

        離子液體這種溶劑本身不揮發(fā),且具有很高的熱穩(wěn)定性和導電性。因此,這款離子液體凝膠具有廣闊的應(yīng)用前景,“可用于電池、傳感器、3D打印、驅(qū)動器和柔性電子設(shè)備等”。Dickey說。

        可穿戴柔性電子器件是當下科研熱門之一,對材料的要求極高,要同時滿足可彎折、扭曲、拉伸等需求。以往用得較多的是傳統(tǒng)柔性材料——水凝膠,但水凝膠的穩(wěn)定性是個大問題,長期暴露在空氣中會導致水分蒸發(fā)、性能受損。

        “離子液體凝膠完全可以替代水凝膠在可穿戴柔性電子器件上的應(yīng)用。首先它很穩(wěn)定,不揮發(fā),不需要任何包覆;其次具有高導電性,不需要額外添加導電介質(zhì);可穿戴設(shè)備往往需要大變形,離子液體凝膠還可以用來開發(fā)應(yīng)變傳感器?!蓖趺老阏f,“還有一點,它具有自愈合和形狀記憶的特性?!?/p>

        長期以來,在凝膠材料領(lǐng)域最火的非水凝膠莫屬。實際上,水凝膠在生活中已相當常見。比如,隱形眼鏡、果凍、龜苓膏等都是水凝膠的“產(chǎn)物”。

        自62年前水凝膠橫空出世,科研人員便努力挖掘其力學性能,涌現(xiàn)了無數(shù)重大成果。但同為凝膠材料,離子液體凝膠領(lǐng)域的研究則發(fā)展較慢,例如力學性能研究還是一塊空白,很難達到與高強度水凝膠相媲美的程度。

        在這篇論文發(fā)表之前,合成高強度離子液體凝膠并不容易。為了提高材料的力學性能,一些研究人員采用多步法或者溶劑交換,整個過程耗時長、成本高,而且浪費資源。

        挑戰(zhàn)不可能,這是科研工作者骨子里的基因。恰好離子液體這種溶劑的“七十二般變化”也讓王美香著迷。

        “顧名思義,水凝膠用的溶劑只有一種,就是水,而離子液體凝膠用的溶劑是離子液體,有成千上萬種,這正是它的魅力所在?!蓖趺老阏f,離子液體在室溫下是一種液態(tài)的熔融鹽,含有正離子和負離子,只要熔融鹽里的正負離子不一樣,就可以實現(xiàn)離子液體的千變?nèi)f化。

        研究選材是從聚丙烯酸和聚丙烯酰胺的單體開始的。

        最初,王美香把兩種材料分開來做。當把丙烯酰胺溶到離子液體后,產(chǎn)生的凝膠跟她預(yù)想的完全不一樣,不透明、發(fā)白,就像曬干的面條一樣特別脆,一碰就斷。隨后她又試了丙烯酸,做出來的凝膠則超級軟,透明度達到百分百。

        完全就是兩種極端!這讓她無比興奮,如果把三者混在一起,會擦出什么樣的火花呢?

        “把丙烯酰胺和丙烯酸溶到離子液體里,再加入引發(fā)劑和交聯(lián)劑,然后混勻,用高功率紫外燈照射,3分鐘就能制作出論文中這種新型混合材料?!蓖趺老阏f,“就是這么簡單。”

        一步法就這樣誕生了。它為離子液體凝膠研究開啟了新世界的大門。

        王美香在西安交通大學讀博期間,一直從事水凝膠研究。她看到離子液體凝膠材料的巨大潛力,便萌生了調(diào)整研究方向的想法。

        2018年12月,王美香在西安交通大學獲得材料科學與工程博士學位后,進入北卡羅來納州立大學Dickey實驗室做博士后,主要致力于高機械性能凝膠材料的設(shè)計和制備,研究其在可穿戴柔性電子器件、全固態(tài)電池以及超級電容器、傳感器和驅(qū)動器等領(lǐng)域的應(yīng)用。

        在新的平臺,王美香順利轉(zhuǎn)換到新賽道,開始離子液體凝膠材料研究。但是,她剛進入北卡羅來納州立大學,新冠疫情就來了,一下打亂了研究計劃。

        學校封閉,無法進入實驗室,王美香就利用這段時間查閱文獻,為實驗蓄能。在家“閉關(guān)”3個月后,終于等來復(fù)工的消息,她便一頭扎進實驗里,每天在實驗室待8個小時,把實驗過程中看到的現(xiàn)象記錄下來,晚上回家查資料分析這些現(xiàn)象的成因。

        幸運的是,這項工作從始至終都比較順利,這篇論文投給期刊也很快被接收,評審專家都對該成果作了很高的評價。

        “接下來,我們將進行應(yīng)用方面的拓展,把離子液體凝膠與3D打印技術(shù)相結(jié)合,用于開發(fā)新型柔性機器人?!蓖趺老阏f。

        參與這項研究的一共有9位作者,其中華人學者有4位,除了王美香,另外3位分別是論文共同通訊作者、西安交通大學教授胡建,西安交通大學碩士生張鵬堯,以及美國內(nèi)布拉斯加州大學林肯分校研究助理教授錢文。

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