Advanced Healthcare Materials: 软材料的分子链拓扑装订

自上世纪末,软材料的发展拔地而起,具有各种响应功能的软材料为工程应用提供了许多新的可能。从柔性机械到可穿戴电子,从组织工程到药物释放,以凝胶为代表的复合型材料成为应用型研究领域持久关注的焦点之一。凝胶由高分子链聚合成的网络和液体(水、离子液体等)组成,其形如液如固,可伸可缩,小分子在其中随进随出,对环境亦可快速响应。为了将凝胶类材料与其它类型的材料(如橡胶、金属、陶瓷、生物组织等)结合起来应用,首要问题就是软材料的粘接。美国科学院和工程院院士、哈佛大学教授锁志刚的课题组近年来在软材料的粘接方面提出诸多创新,最近又提出利用玻璃态分子的拓扑装订将软材料集成起来的新概念,该方法不依赖于任何软材料本身的官能团,具有普遍性。

玻璃态分子的拓扑装订可以分为两点,第一点为形成玻璃态分子链,第二点为形成拓扑闭环。形成玻璃态分子链的常见方法是通过改变聚合物溶液中的酸碱度或者盐浓度来产生相分离,形成玻璃态分子链的沉淀。然而该研究以水凝胶为例,在两块软材料的界面上原位聚合小分子粘接剂形成了高密度的玻璃态分子链,同时形成了拓扑闭环。所谓拓扑闭环就是将每个高分子网络比作单个的闭环,大量的玻璃态分子链贯穿在两个高分子网络中间,形成第三个闭环将它们连接起来,这需要玻璃态分子链之间具有很强的相互吸引力。该研究通过实验证实了玻璃态分子链拓扑装订能够提供超强的粘接性能。

为了将超强粘接和软材料的其它功能相匹配,该研究利用该方法设计了可拉伸、透明、低疲劳的粘接界面。受到订书针的启发,该研究使用高密度的玻璃态分子链形成离散的拓扑闭环将软材料局部装订在一起,使得软材料的超大变形将不受制约。同时,离散拓扑闭环的尺寸越小,装订界面的透明度便越高,当该尺寸小于被粘接材料的裂纹敏感长度时,粘接后的界面在长期大变形循环加载后依然保持完好。 分子链拓扑装订为软材料的集成提供了有效的方法和新的思路,同时这一领域的开放性有助于科研人员设计更多的粘接材料和实现方式。相关论文在线发表在Advanced Healthcare Materials上(doi.org/10.1002/adhm.201900810)。