天津大學仰大勇課題組研發動態化學材料新體系:碲鉑動態配位體系和機械性能可逆調控的智能水凝膠

近期,天津大學化工學院仰大勇課題組在動態化學材料領域取得新進展,研究結果發表於材料化學領域權威期刊Chemistry of Materials,相關成果已申請中國發明專利。主要作者包括天津大學化工學院副教授李鳳、碩士研究生張雪和北京計算科學研究中心研究員胡淑嫻。研究得到國傢自然科學基金的資助支持。

自然界中一些生物(如海參)遇到外界刺激時可實現身體結構機械強度的可逆動態調節,從而更好地適應環境和生存。受這類生物體動態結構的啟發,人們設計並合成瞭多種高分子仿生智能材料,它們能夠像生物體一樣“感知”各種外部刺激,從而改變自身的機械性能。氧化還原反應是生物體實現穩態的重要調節機制,因此開發基於氧化還原刺激響應的機械性能可調智能材料對開發功能生物器件和組織修復等生物應用具有重要意義。目前,基於氧化還原響應性的機械性能可調智能材料的設計構建仍然存在挑戰。

天津大學化工學院仰大勇教授課題組發展瞭氧化還原響應動態材料化學新體系—基於碲鉑配位作用的動態體系,並合成瞭動態水凝膠,通過氧化還原刺激實現水凝膠機械性質的動態調控。有機碲具有低的電負性和出色的σ供電子能力,可與一些過渡金屬離子(例如鉑離子)形成良好的配位作用。

更為重要的是,這種配位作用具有靈敏的氧化還原刺激響應性:當碲被氧化時,被氧化的碲失去與鉑離子的配位作用;而當氧化碲被還原後,碲又可恢復與鉑離子的配位作用。通過分子熱力學模擬,從分子水平闡明瞭這種動態配位機理。

進一步,在含碲分子兩端修飾上丙烯酰胺基團,利用自由基聚合將有機碲引入到水凝膠骨架中,同時在水凝膠體系中加入鉑離子,通過碲鉑配位實現瞭水凝膠體系的進一步交聯。這種水凝膠的機械性能和微觀結構具有氧化還原刺激響應性:氧化條件下,碲被氧化,碲鉑配位作用消失,水凝膠交聯度降低,三維網絡孔徑增大,機械強度降低;還原條件下,碲被還原,碲鉑配位作用恢復,水凝膠交聯度升高,三維網絡孔徑變小,機械強度提高。機械性能動態可調的水凝膠在仿生驅動器、軟質機器人等領域具有巨大的應用潛能。

天津大學仰大勇課題組研發動態化學材料新體系:碲鉑動態配位體系和機械性能可逆調控的智能水凝膠
圖:基於碲鉑動態配位的材料化學新體系。

原文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.chemmater.9b05375

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