“玩物不喪志”——這款黑色橡皮泥“玩出”光熱轉換新用途

橡皮泥材料由於其可調的機械性能、獨特的粘彈性行為和可重復塑形的特性,在仿生機器人、能源存儲與轉換和智能傳感設備等新興領域有著潛在應用。在類橡皮泥材料的功能化過程中往往會添加額外的納米填料,比如金屬納米線、碳納米材料或者導電聚合物等。但是這些額外添加的納米填料在類橡皮泥材料中會發生非均相聚集和相分離現象,從而損害瞭材料的宏觀力學性能和穩定性。

為瞭解決這一問題,哈爾濱工程大學海洋先進材料研究所的團隊通過對水凝膠進行結構設計,結合原位氧化聚合並利用動態配位鍵和氫鍵制備瞭一種具有較好的自修復特性、導電性和光熱轉換特性的黑色類橡皮泥水凝膠材料PPFe gel)。這種水凝膠材料制備簡單,結構均勻,且具有橡皮泥般可隨意塑形的特點,為自修復材料,可形變材料和光熱轉換材料的制備提供瞭新策略。

“玩物不喪志”——這款黑色橡皮泥“玩出”光熱轉換新用途
圖1 類橡皮泥水凝膠材料(PPFe gel)的結構示意圖

在我們前期的研究中,植酸(PA)可以與聚乙烯醇(PVA)形成氫鍵作用,從而調節聚乙烯醇水凝膠的形成條件(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 32441–32448)。為瞭開發植酸的配位作用,我們利用尿素作為催化劑,通過酯化反應將植酸接枝在聚乙烯醇鏈上得到瞭聚乙烯醇植酸酯(PPVA),同時利用體系中鐵離子的氧化作用形成聚吡咯。PPVA可以和鐵離子形成配位鍵,也能與聚吡咯形成氫鍵。這種利用植酸的配位作用和聚吡咯的增強效應形成的互穿網絡水凝膠具有類似橡皮泥的獨特的粘彈性質。

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圖2 PPFe 水凝膠的可註射性和自修復特性

從流變學數據可以看出,隨著剪切應變和剪切速率的提高,PPFe水凝膠發生瞭凝膠-溶膠轉變(剪切變稀現象),在大/小應變震蕩剪切測試中,PPFe水凝膠的凝膠/溶膠狀態可以快速切換。這是由於PPFe水凝膠形成的驅動力-氫鍵和配位鍵具有動態可逆的特性,可以通過化學鍵的動態重組耗散外界能量來保持凝膠狀態的穩定,這一特點也是PPFe水凝膠類橡皮泥狀態的可註射性、可塑形性和自修復性的來源。

“玩物不喪志”——這款黑色橡皮泥“玩出”光熱轉換新用途
圖3 圖案化光熱芯片

聚吡咯(PPy)作為一種常見的黑色有機共軛高分子,在可見-紅外光區域有著較強的吸收性能,凝膠內部原位聚合形成的聚吡咯賦予瞭PPFe水凝膠較好的光熱轉換特性。結合PPFe水凝膠類橡皮泥態的可註射性,可將其封裝在圖案化的PDMS模具中,制作成光熱芯片。PDMS具有較好的透明度和較低的熱導率,所以幾乎所有的近紅外光會透過PDMS照射在水凝膠上,同時PDMS的低導熱性能減弱瞭水凝膠與外界的熱交換,最大程度上保證瞭水凝膠光熱芯片測試的實時性和準確性。

“玩物不喪志”——這款黑色橡皮泥“玩出”光熱轉換新用途
圖4 光熱診療和溫度傳感

光熱診療是目前比較受歡迎的物理療法之一,它能有效緩解疲勞,尤其對肌肉酸痛和關節損傷有著特別的功效。設計和制造一款便攜式的柔性光熱芯片是目前面臨的挑戰之一。這種凝膠基柔性光熱芯片很好的滿足瞭這一需求,它可以大量制備,並且圖案形狀可設計。當在手背上貼附PPFe水凝膠光熱芯片時,在一個太陽光強度下,芯片附近的體表溫度在30 s內可額外上升14℃左右。這種快速溫和的非接觸式局部加熱方式將在光熱診療,藥物緩釋等領域有著潛在應用。同時溫度的升高能加快凝膠內部離子的遷移速率,體現為電阻的變化,因此這種芯片也可以用來實時監測待測物體表面溫度。

該研究的創新點在於通過酯化反應擴大瞭植酸配位作用的應用范圍,利用吡咯原位聚合的方式調節瞭水凝膠的粘彈特性,並進一步結合水凝膠的可註射性和光熱轉換特性將其應用於圖案化芯片和光熱傳感。

該研究成果以《Readily producing a Silly Putty-like hydrogel with good self-healing, conductive and photothermal conversion properties based on dynamic coordinate bonds and hydrogen bonds》為題發表於Journal of Materials Chemistry C期刊(DOI: 10.1039/d0tc00814a),哈爾濱工程大學碩士生張帥為本論文的第一作者。

原文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/TC/D0TC00814A#!divAbstract

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