撰文:李一鳴
水凝膠具有類(lèi)似于生物組織的富水性和彈性,被廣泛用于多種領(lǐng)域,如:化妝品中的面膜、退熱貼,農(nóng)業(yè)用薄膜,建筑中結(jié)露防止劑、調(diào)濕劑,醫(yī)療中的藥物載體等等。然而,傳統(tǒng)水凝膠在零下溫度時(shí)將出現(xiàn)結(jié)冰及隨之而來(lái)的彈性消失現(xiàn)象,大地限制了其在生物組織工程中的應(yīng)用。長(zhǎng)久以來(lái),這個(gè)問(wèn)題一直未得到有效解決。
近,北京航空航天大學(xué)劉明杰教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)從自然界獲取靈感,根據(jù)高緯度和高海拔地區(qū)的生物因細(xì)胞多脂而度耐寒的現(xiàn)象,成功制備出一種具有異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的二元油水凝膠。該凝膠除可在-78-80 ℃的寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定彈性外,還具有優(yōu)良的自適應(yīng)(隨溶劑性質(zhì)不同而變化的)潤(rùn)濕性。那么它是如何制備出來(lái)的?又有哪些應(yīng)用前景呢?讓我們一起來(lái)看下面的介紹。
材料制備
團(tuán)隊(duì)首先以聚n,n-二甲基丙烯酰胺的親水網(wǎng)絡(luò)(hpn)為三維支架,然后對(duì)分散其中的甲基丙烯酸正丁酯進(jìn)行原位聚合得到親油網(wǎng)絡(luò)(opn),由此實(shí)現(xiàn)水凝膠和油凝膠二元相互滲透的異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
性能介紹
01
溶脹性能
圖1. 具有不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)溶膠的溶脹行為及透光性變化
油水凝膠中兩組分相反的溶劑(水性和油性),受親和作用影響使其在水和油中均產(chǎn)生溶脹;當(dāng)凝膠具有合適的opn/hpn質(zhì)量比時(shí),兩組分在空間上的相互約束使其在水和油中的膨脹體積相近。此外,在水和油中,兩組分的相對(duì)分布狀態(tài)存在差異,導(dǎo)致水和油中溶脹樣品的透光性不同。
02
自適應(yīng)潤(rùn)濕性?
??圖2.油水凝膠的自適應(yīng)表面潤(rùn)濕性和結(jié)構(gòu)重構(gòu)特征。其中(b-d)為樣品表面共聚焦raman成分圖
從宏觀上看,該油水凝膠可產(chǎn)生隨溶劑性質(zhì)改變而變化的表面潤(rùn)濕行為,并與微觀異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)在不同溶劑中的結(jié)構(gòu)重排有關(guān):當(dāng)凝膠在水下時(shí),網(wǎng)絡(luò)中的hpns溶脹并導(dǎo)致表面opns向內(nèi)收縮,使凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)水凝膠,從而產(chǎn)生超疏油性;當(dāng)凝膠在油下時(shí),opns向油中溶脹并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的hpns向內(nèi)坍縮,使凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)油凝膠,從而產(chǎn)生超疏水性。
在實(shí)驗(yàn)中,團(tuán)隊(duì)使用horiba labram hr evolution型共聚焦拉曼光譜儀,并用labspec-6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到不同環(huán)境下凝膠表面的共聚焦raman圖像,從而在亞微米級(jí)精度表征了上述變化的化學(xué)結(jié)構(gòu)改變。另外,該油水凝膠還具有快地(< 5 min)、高度可逆地潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變性能:在水和油中快速、多次交替浸沒(méi)后,凝膠優(yōu)良的自適應(yīng)潤(rùn)濕性仍可保持。
03
抗凍和耐熱性?
圖3.寬溫度范圍內(nèi)的彈性穩(wěn)定性
對(duì)于熱響應(yīng)機(jī)械性能,異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的二元油水凝膠表現(xiàn)更為出眾。它不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)水凝膠在-10 ℃斷裂和油凝膠在80 ℃癱軟的現(xiàn)象,因?yàn)樗牡幕パa(bǔ)效應(yīng)使該油水凝膠從更低的實(shí)驗(yàn)溫度到80 ℃高溫均保持穩(wěn)定的彈性。以此觀之,它具有強(qiáng)的抗凍和耐熱能力。
應(yīng)用前景
基于以上特性,團(tuán)隊(duì)相信,該油水凝膠在智能開(kāi)關(guān)系統(tǒng)、抗凍、防蠟、防著色和異質(zhì)催化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)悉,利用其自適應(yīng)潤(rùn)濕性,該團(tuán)隊(duì)在此研究中已對(duì)油水凝膠作為智能開(kāi)關(guān)的油水分離系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探索。另外,此研究中異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的概念,以及二元凝膠性能對(duì)水凝膠和油凝膠性能的橋接思路,將啟發(fā)研究者開(kāi)發(fā)出更多功能獨(dú)特及優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的多元軟性材料。
此項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和國(guó)家青年千人計(jì)劃等的資金支持。相關(guān)研究成果已于近期發(fā)表在英國(guó)自然出版集團(tuán)旗下的快訊類(lèi)在線期刊《nature communications》上。
本文參考文獻(xiàn): hainan gao, ziguang zhao, yudongcai, jiajia zhou, wendahua, lie chen, li wang, jianqi zhang, dong han, mingjie liu, lei jiang, “adaptive and freeze-tolerant heteronetworkorganohydrogels with enhanced mechanical stability over a wide temperature range”. nature communications 2017, 8, 15911
>>>>
horiba科學(xué)儀器事業(yè)部
結(jié)合旗下具有近 200 多年發(fā)展歷史的 jobin yvon 光學(xué)光譜技術(shù),horiba scientific?致力于為科研及工業(yè)用戶提供先進(jìn)的檢測(cè)和分析工具及解決方案。如:光學(xué)光譜、分子光譜、元素分析、材料表征及表面分析等先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)。今天horiba?的高品質(zhì)科學(xué)儀器已經(jīng)成為全球科研、各行業(yè)研發(fā)及質(zhì)量控制的首選。