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中国石油大学徐泉等:具有荧光响应的自愈合水凝胶材料

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水凝胶材料是近年来的研究热点之一,在提高其韧性和自愈合能力等性能的同时,它作为多功能材料的载体平台而得到进一步的研究。为此,一系列扩展工作得以进行,包括能够用于生物工程领域的水凝胶带,创口治疗用品,细胞培养平台,海水净化器件及能源存储器件等。其中,能够进行全内反射,实现远程无接触表面应力检测并兼具自愈合修复性能的光感仿生表面,在微裂缝监测、自修复涂层防腐、柔性可穿戴器件等领域有广阔的应用前景。然而,目前制备实现上述所有特征的仿生表面仍存在困难,现有设计仍然受到仿生表面愈合时间与光学应力监测准确性的限制。因此,研发新一代突破自愈合极限并兼具应力非接触性监测的仿生表面成为一项重要挑战。


▲水凝胶制备及结构示意图

近日,中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室、新能源与材料学院徐泉副研究员团队与厦门大学马来西亚分校王伟俊副教授团队合作,通过向水凝胶中掺杂量子点的方式,设计制备了一种具有三重网络结构的荧光响应自愈合水凝胶仿生表面。兼具优异的自愈合性能和机械性能。

在本项目中,使用聚乙烯醇(PVA)、壳聚糖、琼脂糖、四硼酸钠及丙三醇来构建三维水凝胶网络。其中琼脂糖-壳聚糖、壳聚糖-PVA和琼脂糖-PVA间会形成氢键(Ⅰ类),赋予了材料优异的机械性能和拉伸能力。在制备过程中,我们添加的硼砂(borax),甘油同PVA间形成了氢键(Ⅱ类),其提供了水凝胶优异的自修复性能。而添加的量子点(碳量子点和MXene量子点)同体系材料间同样存在氢键作用(Ⅲ类),并能够均匀的分散于体相内而使得材料具备荧光效应。


▲水凝胶性能测试图

制备的三元网络结构水凝胶具备优异的性能,在空气中自愈合30s后拉伸性能恢复100%,而在水中自愈合60s拉伸性能恢复90%。水凝胶的自愈合性能在多种媒介,如空气、水、低浓度氯化钠溶液、石油醚、正己烷中都有着优异的自修复能力。不仅如此,在愈合处仍可进行1800°的扭转而不发生破坏。该水凝胶同时还具有优异的弹性,且其弹性能力优于同等尺寸的弹性球。体系中加入的甘油含量对于水凝胶的弹性和自修复能力有显著影响,随着甘油添加量的增加,自修复时间缩短,效率增加,但体系的拉伸强度下降。


▲光感水凝胶的远程测力和自愈合过程监测

均匀分散的量子点为该水凝胶材料提供了良好的荧光效应,使得其能够发出相应的荧光色。不仅如此,进一步研究发现凝胶的荧光激发强度与施加在其表面上的应力显示出良好的数学对应关系,主因是PVA同量子点通过(Ⅲ类)氢键相连,所以即使外力无法直接作用影响量子点的位置,却能够通过PVA链的运动而驱动量子点的运动,进而通过前后区域量子点间的“双重阻碍”效应干扰荧光效应。由此可通过非接触的监控荧光发射强度的方式,来实现对水凝胶愈合效率与愈合点的应力状态的实时监测。

该项研究为未来油气开采的荧光示踪技术,非常规压裂裂缝实时应力监测,生物医学伤口愈合诊断等领域提供了全新解决方案。论文的第一作者是中国石油大学(北京)化工学院的本科生李明及新能源与材料学院研究生李维军。本课题得到国家自然基金面上项目,北京市科技新星人才计划的资助。

参考文献:

A self-healing hydrogel with pressure sensitive photoluminescence for remote force measurement and healing assessment. Mater. Horiz. 2019, DOI: 10.1039/c8mh01441h.

来源:高分子科学前沿

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