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Angew. Chem.: 原位形成超支化簇聚集體構(gòu)筑層級交聯(lián)聚脲離子凝膠2024-10-17
離子凝膠在柔性電子領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景,其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在決定其性能和應(yīng)用方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控離子凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種有效的策略。以往線性結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出高滯后性,而共價(jià)交聯(lián)結(jié)構(gòu)則無法修復(fù)。因此,動態(tài)共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)一直是聚合物凝膠研究領(lǐng)域的前沿。然而,該網(wǎng)絡(luò)中動態(tài)鍵的鍵能相對較弱,導(dǎo)致其拉伸強(qiáng)度低,拉伸過程中能量耗散大,從而產(chǎn)生明顯的滯后現(xiàn)象。因此,通過分子設(shè)計(jì)新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來解決動態(tài)共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中存在的缺陷仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。

近期,受海洋生物水母蛋白的層級結(jié)構(gòu)啟發(fā),華南理工大學(xué)海洋工程材料團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新穎的層級交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略,即通過原位形成超支化簇聚集體(HCA),從而實(shí)現(xiàn)聚脲離子凝膠網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)控。這種獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予聚脲離子凝膠高強(qiáng)度、優(yōu)異的韌性、抗穿刺、低滯后、自修復(fù)和熒光性能等。

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圖1. 海洋生物啟發(fā)的聚脲離子凝膠網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及制備

該團(tuán)隊(duì)提出了通過原位形成超支化簇聚集體(HCA)構(gòu)筑聚脲離子凝膠的層級交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種方法巧妙地利用了官能團(tuán)之間化學(xué)反應(yīng)活性的差異,通過競爭反應(yīng)原位形成了超支化簇。這些簇通過長鏈聚氨酯預(yù)聚物連接。特別是,簇與簇之間可通過超分子作用進(jìn)一步聚集成更大的尺寸,從而形成具有層級交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚脲離子凝膠。

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圖2. 層級交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)動態(tài)共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械性能對比

與傳統(tǒng)的動態(tài)共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相比,這種層級交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)賦予聚脲離子凝膠高拉伸強(qiáng)度、優(yōu)異的韌性、低滯后及抗刺穿性。

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圖3.層級交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)表征

此外,通過AFM分子力譜、紅外光譜、小角X射線散射、AFM納米力學(xué)mapping、透射電鏡等表征方法解釋了這種HCA結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。

綜上所述,受海洋生物水母蛋白的層級結(jié)構(gòu)啟發(fā),我們利用原位形成超支化簇聚集體(HCA)設(shè)計(jì)了一種新穎的層級交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種原位形成的HCA 具有合成簡單、可精確調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和賦予交聯(lián)點(diǎn)功能性等優(yōu)點(diǎn)。由此產(chǎn)生的離子凝膠具有優(yōu)異的性能,包括高強(qiáng)度、優(yōu)異的韌性、抗穿刺,低滯后性、自愈性和熒光性,超越了傳統(tǒng)的動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該研究為離子凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及高性能離子凝膠的制備提供了新的思路。

文信息

Jellyfish-inspired Polyurea Ionogel with Mechanical Robustness, Self-Healing, and Fluorescence Enabled by Hyperbranched Cluster Aggregates

Zhipeng Zhang, Lu Qian, Bin Zhang, Chunfeng Ma*, Guangzhao Zhang

文章的通訊作者為華南理工大學(xué)馬春風(fēng)教授,第一作者是華南理工大學(xué)的博士生張志鵬

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202410335

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