北理工團(tuán)隊(duì)在離子液體改性功能材料方面取得新進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-06-26 供稿：生命學(xué)院 攝影：生命學(xué)院
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近日,，北京理工大學(xué)綠色生物制造團(tuán)隊(duì)在離子液體改性水凝膠方面取得新進(jìn)展,，相關(guān)成果以“Robust and tunable hydrogels strengthened by dynamic amphiphilic ionic domains”為題發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊 Chemical Engineering Journal ，文章第一作者為北京理工大學(xué)生命學(xué)院2022級(jí)博士生肖文哲,，通訊作者為閻繼鵬副教授和孫劍教授。
作為一種結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)的綠色溶劑，離子液體（ionic liquids, ILs）在制備和改性功能材料方面具有顯著優(yōu)勢(shì),。基于ILs微環(huán)境的設(shè)計(jì)及其過(guò)程強(qiáng)化機(jī)制方面的長(zhǎng)期積累,，團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在ILs制備和改性功能材料（如凝膠材料,、生物基材料、光電材料等）方面取得了系列研究進(jìn)展（圖1）,。例如,，ILs在調(diào)控離子凝膠結(jié)構(gòu)和性能方面發(fā)揮的獨(dú)特作用,，為設(shè)計(jì)高性能離子凝膠提供了新機(jī)遇（ Adv. Funct. Mater. , 2022, 32, 202203988, ESI高被引論文）；中空聚合IL微球（PIL-x）可通過(guò)其陰離子種類調(diào)控和強(qiáng)化光生電子儲(chǔ)備和傳輸行為,，使得改性后的g-C3N4具有優(yōu)異的可見(jiàn)光響應(yīng)和產(chǎn)氫性能,，為進(jìn)一步提高有機(jī)半導(dǎo)體光活性提供了新思路（ Chem. Eng. J. , 2022, 440, 135625）；低成本質(zhì)子型ILs可實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素在無(wú)鹵素,、溫和條件下的高效脫甲基化制備木質(zhì)素多酚,，對(duì)生物質(zhì)高值化利用及多酚工業(yè)發(fā)展提供了新路線（ Chem. Eng. J. , 2022, 443, 136486）；ILs在有機(jī)框架材料合成,、功能和應(yīng)用中的強(qiáng)化作用,，為發(fā)展和應(yīng)用多孔有機(jī)功能材料提供了新策略（ Coord. Chem. Rev. , 2023, 493, 215304）；最后,，晶體原位組裝過(guò)程中ILs可優(yōu)化晶體生長(zhǎng)并有效降低晶體阱密度,，制備的自清潔MAPbI3單晶具有優(yōu)異的光探測(cè)功能（可見(jiàn)-紅外光譜中的比探測(cè)率為2.83 × 1012 Jones，X射線探測(cè)中靈敏度為7.24 × 104μC Gyair?1 cm?2）,，該工作為高質(zhì)量鈣鈦礦單晶的研發(fā)提供了一種新技術(shù)（ Adv. Funct. Mater. , 2024, 34, 2314237）,。
圖1. 基于離子液體制備和改性功能材料的系列工作
基于前期研究基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了“動(dòng)態(tài)兩親離子域（DAID）”的設(shè)計(jì)策略,，采用具有兩親性結(jié)構(gòu)的可聚合IL單體,，與丙烯酰胺單體共聚，合成了兼具高應(yīng)變（1200-2390%）,、強(qiáng)韌性（5-15 MJ -3）,、優(yōu)異電導(dǎo)率（0.13-0.2 mS cm-1）和高抗裂紋擴(kuò)展能力的功能凝膠（圖2）。在凝膠的三維聚合物網(wǎng)絡(luò)中,，ILs的結(jié)構(gòu)域提高了聚合物的內(nèi)聚強(qiáng)度,；同時(shí)，ILs陽(yáng)離子的長(zhǎng)疏水烷基鏈作為物理交聯(lián)點(diǎn)提供了良好的疏水結(jié)合以增強(qiáng)力學(xué)性能,。因此,，DAID的引入可使聚丙烯酰胺親水鏈在大變形過(guò)程中逐漸展開(kāi)。
圖2. 基于DAID策略的功能凝膠制備和應(yīng)用示意圖
1H核磁共振和傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）等手段表明不同單體間（即,，丙烯酰胺與ILs）存在強(qiáng)相互作用（圖3a和b）,。當(dāng)ILs濃度高于臨界膠束濃度時(shí)，通過(guò)非共價(jià)相互作用可自組裝形成膠束（圖3c）,。圖3d進(jìn)一步證實(shí)了丙烯酰胺和ILs膠束由于相互作用而發(fā)生聚集,，從而形成了尺寸更大的混合單體體系。最終,，DAID的引入使凝膠呈現(xiàn)出致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖3e）,。
圖3. DAID-水凝膠相互作用和結(jié)構(gòu)形態(tài)表征
隨著延伸率增加，聚合物致密骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的孔相應(yīng)地沿著拉伸方向擴(kuò)展（圖4a-c）,。拉伸過(guò)程中同時(shí)伴隨干涉色出現(xiàn)（圖4d和e）,，表明拉伸后聚合物骨架向各向異性轉(zhuǎn)變,。此外，聚合物鏈間平均間距變短（圖4f）,，表明聚合物中分子鏈彼此靠近,，取向度增加。由于DAID-水凝膠骨架可均勻變形,，因此實(shí)現(xiàn)了良好的高應(yīng)變性能（圖4g）,。同時(shí)，聚合物網(wǎng)絡(luò)定向排列有效耗散了能量以承受外力,，從而增強(qiáng)了凝膠韌性,。
圖4. DAID-水凝膠的結(jié)構(gòu)和增韌機(jī)制
該凝膠為人體多方位健康監(jiān)測(cè)提供了高靈敏的基礎(chǔ)材料，其對(duì)人體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況如圖5所示,。以呼吸監(jiān)測(cè)為例,，可將凝膠貼片置于胸腹部位（圖5f），期間通過(guò)應(yīng)變感應(yīng)反饋信號(hào)以精確觀察呼吸頻率,。不僅如此,，凝膠貼片可根據(jù)需求貼于相關(guān)部位并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如大幅度的手指彎曲（圖5a）,、肘部彎曲（圖5b）,、跑步運(yùn)動(dòng)（圖5c）等和小幅度的按壓、吞咽和呼吸等（圖5d-f）,。此外，含有缺口的凝膠仍可靈敏檢測(cè)彎腰,、跑步和深蹲等運(yùn)動(dòng)而不斷裂（圖5g-i）,。總之,，DAID的設(shè)計(jì)策略為調(diào)控凝膠聚合物網(wǎng)絡(luò)提供了指導(dǎo),，并為非接觸醫(yī)用設(shè)備的研發(fā)奠定了一定的材料基礎(chǔ)。
圖5. DAID-水凝膠應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)
論文詳情：Wenzhe Xiao, Ting He, Wanting Zhao, Wenjin Li, Yichen Liu, Cheng Li, Qizhen Luo, Weidong Zhao, Jipeng Yan,* Jian Sun*, Robust and tunable hydrogels strengthened by dynamic amphiphilic ionic domains. Chem. Eng. J. , 2024, 494, 153136.
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153136
附團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介：
綠色生物制造團(tuán)隊(duì)圍繞國(guó)家“雙碳”和生命大健康重大需求,，注重化學(xué),、生物、化工,、材料等多學(xué)科交叉融合,，開(kāi)展融合功能介質(zhì)調(diào)控和綠碳清潔轉(zhuǎn)化的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，具體方向包括功能化離子液體設(shè)計(jì)及其微環(huán)境作用調(diào)控,；生物基化學(xué)品（如生物燃料,、醫(yī)藥分子等）和功能材料（如纖維、薄膜等）綠色合成,；光動(dòng)力抗菌和污染物消解,，酶固定化及仿生酶工程,，柔性可穿戴傳感器件及發(fā)光器件構(gòu)建等。
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