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《Nature Communications》刊发北航化学学院程群峰教授课题组最新研究成果
2021-07-29 09:21
北京航空航天大学
作者:

  2021年7月28日,《Nature Communications》以在线全文Article的形式发表了北京航空航天大学化学学院程群峰教授课题组在仿生纳米复合材料领域的最新研究成果“Stiff and tough PDMS-MMT layered nanocomposites visualized by AIE luminogens”,彭景淞博士为第一作者,程群峰教授和唐本忠院士为通讯作者,北京航空航天大学化学学院为第一完成单位。

  聚二甲基硅氧烷(PDMS)是目前常用的软材料之一,由于其具有优异的生物相容性和稳定性、高透明度以及易成型性,在微流体、组织工程、柔性设备、可穿戴设备以及许多其他领域中具有广阔的应用前景。然而,PDMS的杨氏模量低,难以抵抗较大的外力;同时,PDMS的韧性低于天然橡胶1–2个数量级,对裂纹扩散的抵抗能力较差。因此,如何同时提高PDMS的杨氏模量和韧性,并采用有效的表征手段揭示增强增韧机理,是目前PDMS柔性复合材料的研究热点和巨大挑战。

  自然界中,存在着许多兼具优异的杨氏模量和韧性的天然材料,如具有“砖-泥”结构的鲍鱼壳。化学学院程群峰教授课题组,受天然鲍鱼壳优异性能与结构关系的启发,提出了在PDMS中构筑层状结构的策略,实现了杨氏模量和韧性的同提高。首先通过冰模板技术,利用冰晶生长,将天然蒙脱土(MMT)纳米片和聚乙烯醇(PVA)组装成为层状骨架,再通过真空辅助渗入PDMS构筑仿鲍鱼壳层状复合材料(PDMS-MMT-L),如图1所示。

图1.(a)PVA-TPE的结构式;(b)PVA-TPE溶液的荧光;(c)TPE-CHO、PVA-TPE、PVA的FTIR谱图;(d)MMT纳米片的AFM照片,标尺:100 nm;(e)AIE标记的PDMS-MMT层状纳米复合材料的制备流程;(f)MMT-PVA层状骨架,标尺:1 cm;(g)PDMS-MMT-L层状纳米复合材料,标尺:1 cm;(h)PDMS-MMT-L层状纳米复合材料仍具有良好的柔性,标尺:5 mm。

  近年来,唐本忠院士提出了聚集诱导荧光(AIE)的概念,基于AIE的成像技术在生物、医学、药物等领域取得令人瞩目的进展。通过和唐本忠院士的讨论,程群峰教授课题组在该研究中,创造性地将构筑仿鲍鱼壳层状结构与AIE荧光功能化结合起来,利用共聚焦荧光成像(CFM)技术,实现了对层状结构的三维表征,如图2所示。该方法克服了传统扫描电子显微镜(SEM)表征中的缺陷,具有如下优势:可以进行三维结构的重构、不受样品导电性能的影响、避免了表面形貌的干扰,还可以有效地区分不同组分,将有机-无机交替的层状结构与断裂过程直观地联系起来,用以解析纳米复合材料的增强增韧机理。

图2. MMT-PVA层状骨架的示意图(a)、SEM照片(b)、CFM照片(c)和三维重构图像(d);PDMS-MMT-L(层状结构)的结构示意图(e)、SEM照片(f)、CFM照片(g)和三维重构图像(h);PDMS-MMT-R(共混结构)的结构示意图(i)、SEM照片(j)、CFM照片(k)和三维重构图像(l),标尺:100 μm。

  由于这种仿鲍鱼壳层状结构的引入,该PDMS-MMT层状纳米复合材料在保留了PDMS良好柔性的基础上,实现了对PDMS的增强增韧,杨氏模量及韧性分别是纯PDMS的23倍和12倍,显示出优异的抵抗裂纹扩展的能力,其综合力学性能可以媲美皮肤等天然柔性材料,如图3所示。

图3.(a)PDMS、PDMS-MMT-R和PDMS-MMT-L的应力-应变曲线;(b)PDMS、PDMS-MMT-R和PDMS-MMT-L的杨氏模量和韧性的对比;(c)PDMS、PDMS-MMT-R和PDMS-MMT-L和其他天然及人造软材料的模量-韧性对比图。

  通过这种基于AIE的共聚焦荧光成像技术,该研究原位表征了PDMS-MMT层状纳米复合材料的断裂过程,如图4所示,观察到了独特的断裂形貌,并结合有限元模拟分析,揭示了增强增韧机理:连续层状骨架对应力的有效传递大幅提高了杨氏模量,而裂纹的偏转和桥接提高了断裂韧性。这一表征方法为高分子纳米复合材料的形貌表征和机理解析提供了全新的技术手段,揭示了层状结构的增强增韧机理。这种构筑仿鲍鱼壳层状结构的策略为高性能柔性材料的研究,提供了新的研究思路和理论基础。

图4.(a)PDMS-MMT-L的宏观裂纹扩展过程,标尺:5 mm;(b)通过原位CFM表征的PDMS-MMT-L裂纹起扩阶段的微观过程,标尺:100 μm;(c)通过原位CFM表征的PDMS-MMT-L裂纹进一步扩展阶段的微观过程,标尺:100 μm;(d)通过原位SEM表征的PDMS-MMT-L裂纹扩展的微观过程,标尺:100 μm;(e)PDMS-MMT-L裂纹扩展过程示意图。

  该工作得到了中科院院士江雷教授、中科院院士唐本忠教授、美国劳伦斯国家实验室资深科学家Antoni P. Tomsia教授的帮助,以及国家自然科学基金优秀青年基金(51522301)、面上项目(21875010、22075009)、牛顿高级学者基金(519611303088)、北京市杰出青年基金(JQ19006)、北航青年拔尖人才计划、青年科学家团队、生物医学工程高精尖中心、111引智计划(B14009)等项目的资助,模拟计算得到北航高性能计算中心的大力支持。

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