Warning: Use of undefined constant admin_bar - assumed 'admin_bar' (this will throw an Error in a future version of PHP) in /www/wwwroot/csmnt.com/wp-content/plugins/wp-super-settings/wp-super-settings.php on line 110

Warning: Use of undefined constant admin_bar - assumed 'admin_bar' (this will throw an Error in a future version of PHP) in /www/wwwroot/csmnt.com/wp-content/plugins/wp-super-settings/wp-super-settings.php on line 110
俞书宏:纳米材料与配位共价键协同构筑高强度、高效自修复水凝胶 – 微米纳米网
Warning: Use of undefined constant auto_save - assumed 'auto_save' (this will throw an Error in a future version of PHP) in /www/wwwroot/csmnt.com/wp-content/plugins/wp-super-settings/wp-super-settings.php on line 99
Warning: Use of undefined constant admin_bar - assumed 'admin_bar' (this will throw an Error in a future version of PHP) in /www/wwwroot/csmnt.com/wp-content/plugins/wp-super-settings/wp-super-settings.php on line 110
class="post-template-default single single-post postid-909 single-format-standard active-top-line ltr close-rh page-layout-2-col-right boxed main-menu-sticky-smart active-ajax-search bs-ll-a" dir="ltr">
微米和纳米科技材料

俞书宏:纳米材料与配位共价键协同构筑高强度、高效自修复水凝胶

俞书宏:纳米材料与配位共价键协同构筑高强度、高效自修复水凝胶

前言:

近年来,自修复作为一种广泛存在于生物材料中的典型特征而一直被人们所亲睐。在材料科学领域,自修复性不仅可以增加材料的使用安全性,同时也能大大增加其使用寿命。然而,普通材料体系一般不具备这种智能特性。目前,自修复材料的构筑往往借助于动态交联键体系,然而传统的动态交联主要依耐于分子间弱相互作用,如主客体作用、氢键、π-π共轭以及可逆共价键作用。因此,具有自修复能力的聚合物体系常常伴随较差的机械强度。此外,目前大多数的自修复体系需要很长一段时长(多则数天,少则数小时),才能达到较高(>80%)的自修复效率。因此构筑快速、高效且具有高机械强度的自修复体系具有具有非常重要的意义。

俞书宏:纳米材料与配位共价键协同构筑高强度、高效自修复水凝胶

论文出发点:

配位共价键是价键理论中非常重要的化学键之一,广泛存在于各种金属与非金属原子之间。它是一种特殊的共价键,既具有共价键高的键能,同时具备动态可逆的特征。配位键的强度可以根据原子之间电负性的大小不同从而在很大的范围内进行调节。近年来,金属离子(如Fe3+, Zn2+)与非金属原子(如N, O)的配位作用被人们引入聚合物体系以构筑自修复聚合物材料。然而,鉴于金属离子可提供的空轨道数目有限,配合体系的配位数受到限制(最多形成8配位)。这一特性大大限制了聚合网络结构中每个交联点的分枝性(network branch functionality),进而影响聚合物体系的机械强度。近日,合肥工业大学从怀萍教授中国科学技术大学俞书宏教授课题组,以Au纳米颗粒作为交联点,通过Au-S动态配位作用构建了Au纳米颗粒-聚合物复合水凝胶,成功发展了一种制备多功能、高强度、快速高效自修复纳米复合水凝胶的新策略,相关研究成果以“Dynamic Au-Thiolate Interaction Induced Rapid Self-Healing NanocompositeHydrogels with Remarkable Mechanical Behaviors”为题发表在Cell Press新推出的综合性化学期刊《Chem》上(Chem, 2017, 4, 691-705.),论文的共同第一作者是青年教师秦海利博士(Dr. Haili Qin)和硕士研究生张坦 (TanZhang)。

俞书宏:纳米材料与配位共价键协同构筑高强度、高效自修复水凝胶

图1. 自修复纳米复合水凝胶制备示意图

论文解析:

研究团队通过对金纳米颗粒表面进行小分子(BACA)修饰,获得的金纳米颗粒复合物表面有大量的不饱和键,以它作为多功能交联剂,在反应单体、引发剂的条件下聚合制备纳米复合水凝胶。凝胶网络中,聚合物链均匀致密地以Au-S键的方式连接在金纳米颗粒表面。相比于传统小分子交联剂构筑的凝胶,该凝胶的网络结构也显现出了非常均匀、致密的网络结构。同时,凝胶还表现出了优异的拉伸性能、弹性性能及抗缺口敏感性能。

俞书宏:纳米材料与配位共价键协同构筑高强度、高效自修复水凝胶

图2. 纳米复合水凝胶结构表征及力学光学图片。

研究团队详细研究了不同金纳米颗粒浓度、颗粒大小对凝胶机械性能的影响。同时针对凝胶的抗缺口敏感性能,研究团队还对缺口的大小、位置以及缺口方式等对凝胶的机械性能进行了详细分析,肯定了其优异的抗缺口敏感性。

俞书宏:纳米材料与配位共价键协同构筑高强度、高效自修复水凝胶

图3. 纳米复合水凝胶机械性能曲线及抗缺口敏感性能表征。

鉴于金纳米颗粒优异的光热性能以及Au-S配位键的热不稳定性,研究团队实现了凝胶在红外激光(NIR laser,808nm)诱导下的快速、高效自修复行为。在一定的激光功率(1W)下,可以在1min内实现高达96%的自修复效率。同时,研究团队还探讨了基于Au-S作用下不同种凝胶下的自修复行为。

俞书宏:纳米材料与配位共价键协同构筑高强度、高效自修复水凝胶

图4. 纳米复合水凝胶自修复行为研究。

论文最后,研究团队还对该凝胶做了生物安全性评价,探讨其在生物材料方向上的潜在应用。如对凝胶在NIR laser下的光热性能进行了表征,对凝胶进行了可注射性能与生物相容性的初步评价,对凝胶进行抗癌药物的负载以及在NIR laser下的可控释放研究,显示出了该凝胶在生物医药及生物工程上的应用前景。

俞书宏:纳米材料与配位共价键协同构筑高强度、高效自修复水凝胶

图5.纳米复合水凝胶光热性能、可注射性、生物安全性以及药物可控释放研究。

总结:

从怀萍教授和俞书宏教授的研究团队通过将Au-S配位键引入到纳米复合水凝胶体系,以金纳米颗粒作为聚合物网络结构的多功能交联点,大大增加了凝胶的机械强度。鉴于金纳米颗粒优异的光热性能,使凝胶在NIR laser下表现出快速、高效的自修复性能。这项研究为基于纳米材料构筑高强度、多功能水凝胶提供了新思路、新方法。

致谢:

该工作得到了国家自然科学基金,国家自然科学基金创新研究群体科学基金,国家重点基础研究发展计划,新世纪优秀人才支持计划,中央高校基本科研业务费专项资金,合肥大科学中心卓越用户基金的资助。

全文链接://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(17)30324-8

Chem相关内容链接:

1. 厦门大学王野教授团队Chem:合成气直接制芳烃

2. 崔屹Chem:用于高容量锂电池的石墨金属锂混合负极

3. 楼雄文Chem: 构造复杂空心结构CoS及其在混合电容器中的应用

4. 自我蚀刻和石墨化双金属有机框架制备氮掺杂碳钠离子电池负极材料

5. 【经典综述】张华教授CHEM:基于二维纳米片组装的一维纳米结构

你可能还喜欢

发表评论

您的电子邮件地址将不会发布。

此站点使用Akismet来减少垃圾评论。了解我们如何处理您的评论数据


Warning: Use of undefined constant admin_bar - assumed 'admin_bar' (this will throw an Error in a future version of PHP) in /www/wwwroot/csmnt.com/wp-content/plugins/wp-super-settings/wp-super-settings.php on line 110