南開劉遵峰、東華朱美芳院士、中國藥大周湘 Nat. Commun.：超細納米纖維的高強韌聚電解質人造蛛絲和高性能人工肌肉
2024-04-28 來源：高分子科技
兼具優異力學性能和驅動性能的多功能纖維材料在能量耗散、沖擊緩沖吸收、軟體機器人、柔性電子以及生物醫療等領域顯示出巨大的應用潛力。同時提高纖維的力學性能和驅動性能是發展功能纖維的重要方向，但同時也是一個難點。一般來說材料強度的提高通常伴隨著材料延展性和做功能力的降低，例如增加交聯密度可以提高材料機械強度，但通常會造成驅動行程和做功能力的降低。
近日，南開大學劉遵峰、中國藥科大學周湘、東華大學朱美芳院士合作團隊報道了一種具有超細納米纖維結構的高強韌聚電解質人造蛛絲，并構建了高性能的熱驅動人工肌肉。納米纖維由聚合物鏈在外部應力作用下經溶劑蒸發自組裝形成，通過調控聚合物鏈解離度來調控聚合物鏈柔性，以優化聚合物鏈自組裝過程，最終在在聚電解質纖維中構建了超細納米纖維結構，獲得了廣泛可調的力學性能。例如，對于聚丙烯酸纖維來說，其斷裂強度和韌性實現了從0.53 GPa, 700 MJ m-3到1.83 GPa, 238 MJ m-3的廣泛調控。除了優異的力學性能外，聚丙烯酸纖維還具有卓越的熱致超收縮能力。超細且高度取向的納米纖維結構賦予了聚丙烯酸人造蛛絲超高的驅動性能，驅動應力最高可以達到65 MPa，功密度可以達到2.77 J/g。進一步對纖維引入捻曲結構以及隨后的交聯定型，得到了一種螺旋形人工肌肉，實現了雙向可逆驅動。該工作以 “Establishing Superfine Nanofibrils for Robust Polyelectrolyte Artificial Spider Silk and Powerful Artificial Muscles” 為題發表在《Nature Communications》上。
圖1 聚電解質人造蛛絲的制備機理示意圖。
圖2 聚丙烯酸人造蛛絲纖維在不同解離度下的理論模擬和力學性能
圖3 人造蛛絲中納米纖維在不同解離度下的結構表征
圖4 聚丙烯酸人造蛛絲纖維的熱致超收縮性能
綜上所述，通過調控聚合物鏈的解離度來調控聚合物鏈柔性和自組裝過程，可以優化納米纖維結構，實現纖維力學和驅動性能的同時提升。這個工作為實現高性能智能纖維在軟機器人、柔性電子以及智能設備中的應用提供了一種新的設計策略。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47796-2
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（責任編輯：xu）
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