当前位置： 服装设备 >> 服装设备市场 >> 前沿受蜘蛛丝启发,可自我修复和抗裂的水凝
近年来，材料科学家一直在创造具有各种有利特性的新材料，可以提高不同技术和设备的性能。这包括具有高强度、抗裂性和自愈性能的坚固耐损伤水凝胶纤维对于它们在软机器和机器人中作为承重和执行元件的长期使用是不可或缺的。
图片来源：中国东华大学YingkunShi受蜘蛛丝的纳米限制结构启发，高强度水凝胶微纤维的水纺。
中国东华大学的研究人员最近创造了一种新型的基于水凝胶的微纤维，这种微纤维坚固、可自我修复且抗裂。这些微纤维是受蜘蛛结网方式启发的工艺制造的。
在天然纤维中，蜘蛛丝几乎代表了已知生物材料的韧性极限，同时具有高刚度和延展性。超长丝纤维可以在几分之一秒内从高度浓缩的蛛丝蛋白水溶液中纺出非常坚固的丝网。
这是一种液晶溶液，蛋白质分子可以在其中自由移动，同时保持一定程度的有序性。他们创建的网络遵循具有有利机械性能的分层纳米结构。
重要的是，与合成微纤维相比，蜘蛛丝具有很高的抗裂性，可以克服现有缺陷的不利影响。
图片来源：nature具有氢键纳米限制的坚固水凝胶微纤维的水性拉挤纺丝示意图
a示意图蜘蛛纺成具有分层纳米限制结构的高性能丝，该结构由高度保守的β-折叠纳米晶体作为硬和强域以及柔软和延展的无定形基质组成。b具有蜘蛛丝状纳米限制的PDMAEA-Q/PMAA水凝胶微纤维的连续拉挤纺丝示意图。随着环境条件（25°C，RH60%）下水分的过度蒸发，PMAA链逐渐自缔合，生成嵌入离子络合吸湿性PDMAEA-Q/PMAA基质中的高密度氢键簇。计算出的相互作用能（E相互作用)的氢键簇和分子动力学模拟的离子络合也显示(Ha=Hartree)。请注意，PDAMEA-Q和PMAA之间的离子对是水分离的；但是，为清楚起见，本文未显示水分子。c粗略比较本发明水凝胶微纤维与蜘蛛丝的刚度、伸长率、湿度敏感性、自愈性、断裂能、阻尼能力和超收缩性能（补充表1中的数据）。
水性拉挤纺丝工艺，可在环境条件下连续生产坚硬但可延展的水凝胶微纤维。
由此产生的微纤维不仅对裂纹不敏感，而且由于其结构纳米限制，氢键簇嵌入离子络合的吸湿基质中，因此可以在30秒内通过水分快速修复裂纹。而且，纳米结构具有高能量耗散性、对水分敏感但在水中稳定，从而具有出色的阻尼和超收缩性能。
“我们设想，吸湿性带正电荷的聚电解质(PDMAEA-Q)和聚甲基丙烯酸(PMAA)的离子络合物可能是生产耐损伤水凝胶纤维的理想系统。”孙解释道。“在形成的纤维中，PMAA会形成牢固的氢键团簇，嵌入离子复合物的软基体中。这在理论上可以模仿蜘蛛丝的纳米结构，以提高机械性能。”
研究人员的水凝胶微纤维是在环境条件下生产的，就像蜘蛛结网一样。他们使用一种称为拉挤纺丝的技术，从含有PMAA和PDMAEA-Q的水溶液中形成纤维。
“PMAA链（氢键团簇）的自发纳米限制在水蒸发过程中自然发生，作为嵌入软PDMAEA-Q/PMAA基质中的分离纳米相，”Sun说。“这种分层纳米限制赋予水凝胶微纤维非常高的机械性能。例如，水凝胶纤维相当坚固，具有MPa的高杨氏模量和%的伸长率。”
图片来源：naturePDMAEA-Q/PMAA水凝胶微纤维的形态、纳米结构和内部相互作用。
a具有不同聚合物含量的纺丝原液的流变行为（τ：溶胶-凝胶弛豫时间）。b纤维直径作为旋转速度和涂料中聚合物含量的函数（插图：相应的SEM图像；比例尺=μm）。c，打结的微纤维和断裂横截面的SEM图像。dSAXS曲线和拟合结果。e、fTEM和AFM高度图像显示存在丰富的氢键簇和尺寸为8–28nm的簇聚集体。g具有不同DMAEA-Q:MAA摩尔比的PDMAEA-Q/PMAA混合物的pH值。1_PDMAEA-Q、PMAA及其混合物（1:2摩尔比）在D2O中的HNMR光谱比较。对于(g)和(h)，总单体浓度固定为0.1M。i相应的DLS曲线(浓度：2.5毫米）。j温度相关的FTIR光谱和水合PDMAEA-Q/PMAA薄膜的相应分配（间隔：5°C）。k,l由(j)生成的2DCOS同步和异步频谱。红色代表正强度，而蓝色代表负强度。纤维直径和pH数据表示为平均值±SD，n?=3个独立样本。
在初步评估中，研究人员创造的微纤维表现出非常有前途的特性。例如，它们被发现具有高阻尼能力和抗裂性，以及对水分的高度敏感性，使它们能够收缩、保持特定形状并在损坏时迅速“自我修复”。
图片来源：naturePDMAEA-Q/PMAA水凝胶微纤维的拉伸、阻尼和抗裂性能。
a不同应变率(RH60%)下的拉伸行为。b作为应变率自然对数(ε?)函数的屈服应力的线性拟合。c循环加载-卸载曲线和相应的阻尼能力随着应变的增加（应变率=0.02s-1）。d水凝胶微纤维与其他典型阻尼纤维材料的阻尼能力比较。e分别由棉纱和水凝胶微纤维缓冲的自由落体物体的时间分辨冲击力振荡。f带/不带缺口的微纤维的拉伸曲线（插图：带缺口的微纤维的SEM图像）。G从0%到%应变拉伸的缺口微纤维的POM图像。这些图像分别在45°和-45o的方位角处在nm着色板存在的情况下拍摄。。
“一般来说，高机械性能需要强大的共价键，而快速修复能力需要高度动态的网络，这在本质上是矛盾的，”孙说。“我们通过采用蜘蛛丝状纳米结构来解决这个问题。重要的是，这种分层结构在水蒸发过程中自发形成，避免了进一步处理的繁琐和能源成本步骤。”
这组研究人员最近的工作可能很快会激发其他基于纳米结构和类似纺丝工艺的高性能纤维材料的生产。此外，他们创造的以蜘蛛丝为灵感的水凝胶微纤维很快就会在现实环境中得到应用和评估，例如作为假肢或可穿戴设备的驱动纤维。
“我们已经证明，具有纳米结构的水凝胶纤维可以表现出非常好的性能，但纤维的韧性还不能与真正的蜘蛛丝相提并论，”Sun补充道。“未来，我们将尝试引入更强的纳米晶体作为纳米限制，以进一步提高水凝胶纤维的机械性能。”
除了强度之外，水凝胶微纤维还可以自我修复。如果它们被切割或损坏，它们可以通过从周围吸收水分来修复自己。这使得它们非常适合用于可能会受到磨损的应用，例如医疗植入物或可穿戴电子产品。
研究人员认为，他们的新型水凝胶微纤维具有广泛的应用前景。它们可用于医疗设备，例如人造血管或组织支架。它们还可以用于可穿戴电子产品，例如智能服装或柔性显示器。
总的来说，这些可自我修复和抗裂的水凝胶微纤维的开发是材料科学领域令人兴奋的发展。通过从大自然中汲取灵感，研究人员能够创造出具有独特性能并可用于各种应用的新材料。
本文参考引用信息：
YingkunShietal,Aqueousspinningofrobust,self-healable,andcrack-resistanthydrogelmicrofibersenabledbyhydrogenbondnanoconfinement,NatureCommunications().DOI:10./s---4
