【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京理工大學(xué)綠色生物制造團(tuán)隊(duì)在離子液體改性水凝膠方面取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Robust and tunable hydrogels strengthened by dynamic amphiphilic ionic domains”為題發(fā)表于國際頂級期刊 Chemical Engineering Journal ，文章第一作者為北京理工大學(xué)生命學(xué)院2022級博士生肖文哲，通訊作者為閻繼鵬副教授和孫劍教授。
 

　　作為一種結(jié)構(gòu)可設(shè)計的綠色溶劑，離子液體(ionic liquids, ILs)在制備和改性功能材料方面具有顯著優(yōu)勢?；贗Ls微環(huán)境的設(shè)計及其過程強(qiáng)化機(jī)制方面的長期積累，團(tuán)隊(duì)近年來在ILs制備和改性功能材料(如凝膠材料、生物基材料、光電材料等)方面取得了系列研究進(jìn)展(圖1)。例如，ILs在調(diào)控離子凝膠結(jié)構(gòu)和性能方面發(fā)揮的獨(dú)特作用，為設(shè)計高性能離子凝膠提供了新機(jī)遇( Adv. Funct. Mater. , 2022, 32, 202203988, ESI高被引論文)；中空聚合IL微球(PIL-x)可通過其陰離子種類調(diào)控和強(qiáng)化光生電子儲備和傳輸行為，使得改性后的g-C3N4具有優(yōu)異的可見光響應(yīng)和產(chǎn)氫性能，為進(jìn)一步提高有機(jī)半導(dǎo)體光活性提供了新思路( Chem. Eng. J. , 2022, 440, 135625)；低成本質(zhì)子型ILs可實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素在無鹵素、溫和條件下的高效脫甲基化制備木質(zhì)素多酚，對生物質(zhì)高值化利用及多酚工業(yè)發(fā)展提供了新路線( Chem. Eng. J. , 2022, 443, 136486)；ILs在有機(jī)框架材料合成、功能和應(yīng)用中的強(qiáng)化作用，為發(fā)展和應(yīng)用多孔有機(jī)功能材料提供了新策略( Coord. Chem. Rev. , 2023, 493, 215304)；最后，晶體原位組裝過程中ILs可優(yōu)化晶體生長并有效降低晶體阱密度，制備的自清潔MAPbI3單晶具有優(yōu)異的光探測功能(可見-紅外光譜中的比探測率為2.83 × 1012 Jones，X射線探測中靈敏度為7.24 × 104µC Gyair−1 cm−2)，該工作為高質(zhì)量鈣鈦礦單晶的研發(fā)提供了一種新技術(shù)( Adv. Funct. Mater. , 2024, 34, 2314237)。
 

圖1. 基于離子液體制備和改性功能材料的系列工作
 

　　基于前期研究基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了“動態(tài)兩親離子域(DAID)”的設(shè)計策略，采用具有兩親性結(jié)構(gòu)的可聚合IL單體，與丙烯酰胺單體共聚，合成了兼具高應(yīng)變(1200-2390%)、強(qiáng)韌性(5-15 MJ -3)、優(yōu)異電導(dǎo)率(0.13-0.2 mS cm-1)和高抗裂紋擴(kuò)展能力的功能凝膠(圖2)。在凝膠的三維聚合物網(wǎng)絡(luò)中，ILs的結(jié)構(gòu)域提高了聚合物的內(nèi)聚強(qiáng)度；同時，ILs陽離子的長疏水烷基鏈作為物理交聯(lián)點(diǎn)提供了良好的疏水結(jié)合以增強(qiáng)力學(xué)性能。因此，DAID的引入可使聚丙烯酰胺親水鏈在大變形過程中逐漸展開。
 

圖2. 基于DAID策略的功能凝膠制備和應(yīng)用示意圖
 

　　1H核磁共振和傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)等手段表明不同單體間(即，丙烯酰胺與ILs)存在強(qiáng)相互作用(圖3a和b)。當(dāng)ILs濃度高于臨界膠束濃度時，通過非共價相互作用可自組裝形成膠束(圖3c)。圖3d進(jìn)一步證實(shí)了丙烯酰胺和ILs膠束由于相互作用而發(fā)生聚集，從而形成了尺寸更大的混合單體體系。最終，DAID的引入使凝膠呈現(xiàn)出致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖3e)。
 

圖3. DAID-水凝膠相互作用和結(jié)構(gòu)形態(tài)表征
 

　　隨著延伸率增加，聚合物致密骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的孔相應(yīng)地沿著拉伸方向擴(kuò)展(圖4a-c)。拉伸過程中同時伴隨干涉色出現(xiàn)(圖4d和e)，表明拉伸后聚合物骨架向各向異性轉(zhuǎn)變。此外，聚合物鏈間平均間距變短(圖4f)，表明聚合物中分子鏈彼此靠近，取向度增加。由于DAID-水凝膠骨架可均勻變形，因此實(shí)現(xiàn)了良好的高應(yīng)變性能(圖4g)。同時，聚合物網(wǎng)絡(luò)定向排列有效耗散了能量以承受外力，從而增強(qiáng)了凝膠韌性。
 

圖4. DAID-水凝膠的結(jié)構(gòu)和增韌機(jī)制
 

　　該凝膠為人體多方位健康監(jiān)測提供了高靈敏的基礎(chǔ)材料，其對人體的實(shí)時監(jiān)測情況如圖5所示。以呼吸監(jiān)測為例，可將凝膠貼片置于胸腹部位(圖5f)，期間通過應(yīng)變感應(yīng)反饋信號以精確觀察呼吸頻率。不僅如此，凝膠貼片可根據(jù)需求貼于相關(guān)部位并進(jìn)行運(yùn)動實(shí)時監(jiān)測，如大幅度的手指彎曲(圖5a)、肘部彎曲(圖5b)、跑步運(yùn)動(圖5c)等和小幅度的按壓、吞咽和呼吸等(圖5d-f)。此外，含有缺口的凝膠仍可靈敏檢測彎腰、跑步和深蹲等運(yùn)動而不斷裂(圖5g-i)?？傊?，DAID的設(shè)計策略為調(diào)控凝膠聚合物網(wǎng)絡(luò)提供了指導(dǎo)，并為非接觸醫(yī)用設(shè)備的研發(fā)奠定了一定的材料基礎(chǔ)。
 

圖5. DAID-水凝膠應(yīng)用于實(shí)時監(jiān)測人體運(yùn)動
 

　　附團(tuán)隊(duì)簡介：
 

　　綠色生物制造團(tuán)隊(duì)圍繞國家“雙碳”和生命大健康重大需求，注重化學(xué)、生物、化工、材料等多學(xué)科交叉融合，開展融合功能介質(zhì)調(diào)控和綠碳清潔轉(zhuǎn)化的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，具體方向包括功能化離子液體設(shè)計及其微環(huán)境作用調(diào)控；生物基化學(xué)品(如生物燃料、醫(yī)藥分子等)和功能材料(如纖維、薄膜等)綠色合成；光動力抗菌和污染物消解，酶固定化及仿生酶工程，柔性可穿戴傳感器件及發(fā)光器件構(gòu)建等。