Advanced Science:纳流体整流——手性反转的GO液晶纤维

具有独特结构和拓扑的纳米胶体液晶,可用于软物质的基础研究,以及作为模版材料用于其他复杂结构的构建。氧化石墨烯(GO)液晶作为一种典型的二维纳米胶体,其特殊的电学、光学和纳米复合性能吸引了研究者的高度关注。然而,在实际应用中需要GO液晶具有长程有序的结构和稳定的拓扑构型。获取长程有序的结构和稳定的拓扑构型,对于具有液体流动性的GO液晶胶体是十分困难的。

借助外部刺激场,例如电场、磁场、机械剪切和化学界面稳定等,目前只能实现纳米片层的单向对齐,而且一般需要昂贵的设备和复杂的制备技术。当前,还没有一种简单、有效、可行的方法直接制备具有多级有序结构和稳定外部形貌的GO液晶材料;以及,液晶纤维在干燥时的界面能和内部弹性能的失衡,导致纤维畸变,表面产生大量的褶皱。有研究表明,表面褶皱和内部大量的缺陷对纤维的电学和机械性能有巨大负面影响。

武培怡教授课题组博士生刘艳军(复旦大学)应用纳流体整流技术制备出手性反转的氧化石墨烯(GO)液晶。在湿纺注射流内引入径向聚合物纳流,驱动注射流内GO片层反向堆叠,同时在注射流表面形成连续、稳定的水凝胶鞘层,大规模制备了具有平整的外部形貌和稳定的内部拓扑结构的GO液晶纤维。这项工作遵循两项设计原则:1.注射流内聚合物纳流提供径向剪切力,引导GO片层反向螺旋对齐形成手性反转的胆甾相液晶构型;2.注射流表面快速形成的凝胶鞘作为连续、稳定的保护罩维持内部液晶拓扑构型的稳定。制备过程中内部GO的反向组装和外部水凝胶保护层的形成同步进行。此外,在干燥过程中手性反转的GO液晶纤维保持内部结构的稳定,最终形成具有高机械强度和柔韧性的GO纤维,在电化学、传感等领域有广阔的应用前景。

该方法操作简单、易规模化生产,制备出的液晶纤维具有长程有序的结构、稳定的拓扑构型和可控的光学外观,在基础软体物质研究和特定的光学传感与识别中有广泛地应用前景。相关论文在线发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202001269)上。