【背景介绍】
在水凝胶中制备高度取向的结构的各种策略仍然具有挑战性,因为大分子链的调节通常受静电,氢键和其他相互作用的限制,并且单一策略不能打破平衡极限。最近,南京林业大学何明教授团队在《Journal of Materials Chemistry A》上发表了题为H-bonds/ionic coordination switching for fabrication of highly oriented cellulose hydrogels一文。通过将水凝胶交替浸入水和CaCl2溶液中,制得了具有高双折射(〜6.4×10-3)和高水含量(〜72%)的高取向纤维素水凝胶。通过H2O/Ca2+交换,纤维素分子的主要相互作用在H键和离子配位之间切换,从而实现对取向的连续调节。此外,通过灵活的可编程交换策略,可以精确控制局部取向来制备双层,梯度各向异性,相反各向异性和相邻的各向异性纤维素水凝胶。可以在可变的表面上制备各种自成型凝胶,包括环,空心矩形,空心三角形和弹性弹簧,而无需任何倒模。该原理可以为构造高度定向的结构提供新的思想和启发,并为生产通用的,对刺激敏感的各向异性材料提供新的途径。
图1(a)在不同浓度的CaCl2溶液中(灰色背景)初始凝胶的数码照片。初始凝胶在40 wt%CaCl2溶液中保持原始外观,然后浸入水中,然后重新浸入40 wt%CaCl2溶液(橙色背景)中。(b)在引入(i)最小量的Ca2+(每个超级电池一个Ca2+)和(ii)最大量的Ca2+(每个超级电池四个Ca2+)之后,水合纤维素的最佳原子结构的纤维素链上的视图。(c)离子配位与氢键态竞争的示意图。(d)通过H2O/Ca2+交换过程构建高度取向的凝胶的策略示意图。凝胶的两端由一个矩形框夹紧。(i)通过Ca2+交联的初始凝胶。(ii)由水触发的沿长度方向的纤维素链的疏水性堆积以形成排列的结构。(iii)Ca2+破坏了纤维素链之间的H键,并同时与纤维素分子交联。(iv)当凝胶浸入水中时,疏水性堆叠再次发生。通过重复的H2O和Ca2+交换过程,纤维素分子链继续沿限制方向进行调节,从而形成高取向结构。
图2(a-b)在主要调节过程(a)中,以及在次要调节(b)中多次Ca2 + / H2O交换下,干扰色在不同时间变化。(c-d)一级调节过程(c)和二级调节过程(d)中凝胶在500 nm处的双折射
图3(a-i),(a-ii)H2O-1-240min凝胶在不同放大倍数下的SEM图像。高倍率下可以观察到不规则结构的存在。(b-i),(b-ii)H2O-8凝胶在不同放大倍数下的SEM图像。在高放大倍率下可以观察到高度对准的结构的存在。(c)在2600-4000cm-1处的棉短绒和凝胶的FTIR光谱代表H键的变化。(d)(c)进行峰拟合后,H2O/Ca2+交换过程中分子内H键与分子间H键的强度比(IIntra / IInter)的强度曲线。(e)处于不同状态的凝胶的应力/应变曲线。注意,该机械测试是沿长度方向进行的。(f)当测试方向垂直于凝胶的取向方向时的应力/应变曲线。(g)在不同的H2O/Ca2+交换过程中纤维素凝胶的含水量。
图4(a)具有双层结构的凝胶花瓣,以及由于水的不对称收缩而引起的形态,透明度和干涉色的变化。(b)凝胶花瓣在偏振光下组装而成的人造花的数码照片,在水中逐渐开花。(c)(i)在梯度各向异性凝胶可见光下的数字图像。虚线表示不同区域之间的边界。(ii)各向异性梯度凝胶中的干涉色分布。(iii)通过拟合柯西公式,在各向异性凝胶的指定位置在500 nm处的双折射。(d-f)通过多种H2O/Ca2+交换过程形成的自成形凝胶,包括(d)环,(e)空心矩形和(f)空心三角形。(g)通过在多个H2O/Ca2+交换过程中缠绕在玻璃棒周围而形成的弹性弹簧凝胶。
参考文献:doi.org/10.1039/D0TA10863D
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