Small:兼具可调结构色和力学性能的三维中空结构材料

目前,纳米纤维素(CNC)可以通过多种途径进行取向,如外部电场或磁场、机械剪切、干/湿纺丝或静电纺丝等。然而,这些技术通常仅限于制备1D/2D结构(纤维或薄膜)。虽然已经证明了3D/4D打印可以获得兼具复杂结构和有序CNC的潜力,但这种具有复杂结构的三维结构通常具有非连续表面,尤其是在垂直方向上。此外,这些技术中的许多参数会影响CNC在三维成型结构中的排列,例如ink的固有流变性/粘度、剪切速率、喷嘴几何形状和凝固剂的选择。另一个关键问题是结构体的力学性能,在含有CNC的三维复合材料中,有序排列的CNC如何发挥作用?是否还有其他影响因素?

近日,德国哥廷根大学张凯教授课题组通过“拉伸-松弛-干燥”动态共价水凝胶的方式制备了具有类似双曲面的中空三维复杂结构(图1)。这种方法的特点是CNC在里面是有取向的,且曲面具有连续性:基于机械拉伸和空气干燥过程,动态水凝胶中的CNC可以单轴排列;除了力学增强之外,还提供额外的光学双折射现象(图2);所获得的类双曲面结构参数可由原始水凝胶的形态和机械拉伸的条件控制;类双曲面结构的表面可以通过空气干燥过程进一步优化,从而获得光滑、连续和弯曲的表面。更为重要的是,研究发现这种3D形状结构的机械性能不仅依赖于CNC的有序排列,而且与结构固有的几何形状有很大关系(图3)。这些结果将为设计和制造具有固定形态、力学性能和功能的先进材料提供新的视角。

图1 含有CNC的类双曲面3D结构的制备过程。
图2 类双曲面3D结构的光学性质。
图3 类双曲面3D结构的力学性能测试

课题组自2019年以来,通过“拉伸-松弛-干燥”动态共价水凝胶的方法,取得了一系列研究进展,使分散在动态共价水凝胶中的棒状纳米材料实现了有序排布,成功制备了多维度双折射材料(ACS Nano 2019,13,3867-3874)。进一步通过模块化设计实现了更广阔、灵活的颜色调控方式,并成功将其用于光学防伪材料(Adv. Optical Mater. 2020,8,2000547),另外,课题组通过同时排布纤维素纳米晶和金纳米棒,集合了双折射效应和表面等离子效应两种特异性光学机制,从而实现了更广的颜色调控(ACS Nano 2020, 14, 12, 16832–16839)。

论文第一作者为Yang Yang、Heqin Huang博士,第二作者为Dan Xu博士研究生,通讯作者为德国哥廷根大学张凯教授。

论文信息:

3D Hollow Xerogels with Ordered Cellulose Nanocrystals for Tailored Mechanical Properties

Yang Yang, Heqin Huang, Dan Xu, Xiaojie Wang, Ye Chen, Xiaohui Wang, Kai Zhang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202104702

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202104702