從黃瓜藤得到靈感，中國(guó)科學(xué)家研發(fā)出高強(qiáng)度的環(huán)境性適應(yīng)性高分子材料

在科技日新月異的今天，新型材料的研發(fā)正不斷推動(dòng)著社會(huì)的進(jìn)步。離子凝膠，因其出色的柔韌性和離子導(dǎo)電性，在眾多高科技領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。然而，它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中常常面臨機(jī)械強(qiáng)度不足、韌性有限以及在高溫環(huán)境下難以保持形狀穩(wěn)定的挑戰(zhàn)。

面對(duì)這些難題，科學(xué)家們通過(guò)設(shè)計(jì)氫鍵結(jié)構(gòu)、構(gòu)建多尺度網(wǎng)絡(luò)、引入納米增強(qiáng)和疏水基團(tuán)等方法，對(duì)凝膠的機(jī)械性能進(jìn)行了顯著改善。但是，分子鏈在熱運(yùn)動(dòng)中的相分離以及在大應(yīng)力下的結(jié)構(gòu)塌陷等問(wèn)題，仍然限制了離子凝膠在極端條件下的性能表現(xiàn)。

在這樣的背景下，沈陽(yáng)化工大學(xué)、四川大學(xué)和東北林業(yè)大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)，從自然界中黃瓜藤蔓的卷曲特性中獲得靈感，提出了一種創(chuàng)新的增強(qiáng)策略。這一策略通過(guò)將大豆蛋白分子纏繞在纖維素大分子鏈上，形成了堅(jiān)固的超分子網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，成功制備出了既堅(jiān)固又耐高低溫環(huán)境的生物離子凝膠。

這種生物離子凝膠具有顯著的抗拉強(qiáng)度，能夠承受高達(dá)150攝氏度的高溫腐蝕，同時(shí)在低至零下20攝氏度的環(huán)境中也能保持良好的機(jī)械性能、電學(xué)性能及形貌結(jié)構(gòu)。此外，它還展現(xiàn)出了卓越的可回收性、循環(huán)再利用性、形狀設(shè)計(jì)塑形性、良好的生物相容性，以及完全的生物降解性。這一研究成果不僅解決了凝膠材料在機(jī)械高強(qiáng)度和環(huán)境耐受性之間的權(quán)衡問(wèn)題，而且為超分子領(lǐng)域提供了一種有效、可行的策略。

通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬和一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)揭示了這種生物離子凝膠超分子結(jié)構(gòu)的刺激強(qiáng)化機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種生物離子凝膠中纖維素和大豆蛋白分子之間的相互作用得到了顯著增強(qiáng)，形成了更緊湊的構(gòu)效關(guān)系和更多的氫鍵。這種強(qiáng)化的超分子網(wǎng)絡(luò)賦予了生物離子凝膠強(qiáng)悍的機(jī)械性能和耐高/低溫特性。

在實(shí)際應(yīng)用測(cè)試中，這種生物離子凝膠展現(xiàn)出了卓越的機(jī)械性能，其斷裂伸長(zhǎng)率超過(guò)160%，拉伸強(qiáng)度達(dá)到30.7兆帕，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)凝膠材料。同時(shí)，它在高溫和低溫環(huán)境下的出色表現(xiàn)，證明了其在極端條件下的穩(wěn)定性和可靠性。此外，生物離子凝膠的可設(shè)計(jì)性、循環(huán)再利用性、可加工塑形性以及生物降解性，使其在柔性電子、生物塑料等跨學(xué)科領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究通過(guò)模仿自然界中黃瓜藤蔓的卷曲特性，創(chuàng)新性地提出了纖維素-蛋白超分子網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)策略，成功制備出了具有高機(jī)械強(qiáng)度、高耐溫性、良好生物相容性和完全生物降解性的生物離子凝膠。這一成果不僅為離子凝膠材料的應(yīng)用提供了新的可能性，也為未來(lái)新型、可持續(xù)、高性能軟凝膠材料的開發(fā)與應(yīng)用開辟了新的道路。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，我們有理由相信，這種新型生物離子凝膠將在未來(lái)的科技發(fā)展中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。