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[材料资讯] 《Nature Communications》刊发北航化学学院程群峰教授课题组最新研究成果

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发表于 2021-8-5 09:26:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
2021年7月28日,《Nature Communications》以在线全文Article的形式发表了我校化学学院程群峰教授课题组在仿生纳米复合材料领域的最新研究成果“Stiff and tough PDMS-MMT layered nanocomposites visualized by AIE luminogens”,彭景淞博士为第一作者,程群峰教授和唐本忠院士为通讯作者,北京航空航天大学化学学院为第一完成单位。
       聚二甲基硅氧烷(PDMS)是目前常用的软材料之一,由于其具有优异的生物相容性和稳定性、高透明度以及易成型性,在微流体、组织工程、柔性设备、可穿戴设备以及许多其他领域中具有广阔的应用前景。然而,PDMS的杨氏模量低,难以抵抗较大的外力;同时,PDMS的韧性低于天然橡胶1–2个数量级,对裂纹扩散的抵抗能力较差。因此,如何同时提高PDMS的杨氏模量和韧性,并采用有效的表征手段揭示增强增韧机理,是目前PDMS柔性复合材料的研究热点和巨大挑战。
       自然界中,存在着许多兼具优异的杨氏模量和韧性的天然材料,如具有“砖-泥”结构的鲍鱼壳。化学学院程群峰教授课题组,受天然鲍鱼壳优异性能与结构关系的启发,提出了在PDMS中构筑层状结构的策略,实现了杨氏模量和韧性的同提高。首先通过冰模板技术,利用冰晶生长,将天然蒙脱土(MMT)纳米片和聚乙烯醇(PVA)组装成为层状骨架,再通过真空辅助渗入PDMS构筑仿鲍鱼壳层状复合材料(PDMS-MMT-L),如图1所示。


仿生纳米复合材料

仿生纳米复合材料
图1.(a)PVA-TPE的结构式;(b)PVA-TPE溶液的荧光;(c)TPE-CHO、PVA-TPE、PVA的FTIR谱图;(d)MMT纳米片的AFM照片,标尺:100 nm;(e)AIE标记的PDMS-MMT层状纳米复合材料的制备流程;(f)MMT-PVA层状骨架,标尺:1 cm;(g)PDMS-MMT-L层状纳米复合材料,标尺:1 cm;(h)PDMS-MMT-L层状纳米复合材料仍具有良好的柔性,标尺:5 mm。
        近年来,唐本忠院士提出了聚集诱导荧光(AIE)的概念,基于AIE的成像技术在生物、医学、药物等领域取得令人瞩目的进展。通过和唐本忠院士的讨论,程群峰教授课题组在该研究中,创造性地将构筑仿鲍鱼壳层状结构与AIE荧光功能化结合起来,利用共聚焦荧光成像(CFM)技术,实现了对层状结构的三维表征,如图2所示。该方法克服了传统扫描电子显微镜(SEM)表征中的缺陷,具有如下优势:可以进行三维结构的重构、不受样品导电性能的影响、避免了表面形貌的干扰,还可以有效地区分不同组分,将有机-无机交替的层状结构与断裂过程直观地联系起来,用以解析纳米复合材料的增强增韧机理。

仿生纳米复合材料

仿生纳米复合材料
      图2. MMT-PVA层状骨架的示意图(a)、SEM照片(b)、CFM照片(c)和三维重构图像(d);PDMS-MMT-L(层状结构)的结构示意图(e)、SEM照片(f)、CFM照片(g)和三维重构图像(h);PDMS-MMT-R(共混结构)的结构示意图(i)、SEM照片(j)、CFM照片(k)和三维重构图像(l),标尺:100 μm。
       由于这种仿鲍鱼壳层状结构的引入,该PDMS-MMT层状纳米复合材料在保留了PDMS良好柔性的基础上,实现了对PDMS的增强增韧,杨氏模量及韧性分别是纯PDMS的23倍和12倍,显示出优异的抵抗裂纹扩展的能力,其综合力学性能可以媲美皮肤等天然柔性材料,如图3所示。

仿生纳米复合材料

仿生纳米复合材料
图3.(a)PDMS、PDMS-MMT-R和PDMS-MMT-L的应力-应变曲线;(b)PDMS、PDMS-MMT-R和PDMS-MMT-L的杨氏模量和韧性的对比;(c)PDMS、PDMS-MMT-R和PDMS-MMT-L和其他天然及人造软材料的模量-韧性对比图。
        通过这种基于AIE的共聚焦荧光成像技术,该研究原位表征了PDMS-MMT层状纳米复合材料的断裂过程,如图4所示,观察到了独特的断裂形貌,并结合有限元模拟分析,揭示了增强增韧机理:连续层状骨架对应力的有效传递大幅提高了杨氏模量,而裂纹的偏转和桥接提高了断裂韧性。这一表征方法为高分子纳米复合材料的形貌表征和机理解析提供了全新的技术手段,揭示了层状结构的增强增韧机理。这种构筑仿鲍鱼壳层状结构的策略为高性能柔性材料的研究,提供了新的研究思路和理论基础。

仿生纳米复合材料

仿生纳米复合材料
图4.(a)PDMS-MMT-L的宏观裂纹扩展过程,标尺:5 mm;(b)通过原位CFM表征的PDMS-MMT-L裂纹起扩阶段的微观过程,标尺:100 μm;(c)通过原位CFM表征的PDMS-MMT-L裂纹进一步扩展阶段的微观过程,标尺:100 μm;(d)通过原位SEM表征的PDMS-MMT-L裂纹扩展的微观过程,标尺:100 μm;(e)PDMS-MMT-L裂纹扩展过程示意图。


           该工作得到了中科院院士江雷教授、中科院院士唐本忠教授、美国劳伦斯国家实验室资深科学家Antoni P. Tomsia教授的帮助,以及国家自然科学基金优秀青年基金(51522301)、面上项目(21875010、22075009)、牛顿高级学者基金(519611303088)、北京市杰出青年基金(JQ19006)、北航青年拔尖人才计划、青年科学家团队、生物医学工程高精尖中心、111引智计划(B14009)等项目的资助,模拟计算得到北航高性能计算中心的大力支持。
       该论文的原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-24835-w
       程群峰课题组网站链接:http://chengresearch.net/zh/home-cn/


       文章来源:北航
       程群峰,1981年12月出生,北京航空航天大学化学学院教授、博士生导师;2003年获河南大学学士学位,2008年获浙江大学高分子化学与物理博士学位,随后分别在清华大学、美国佛罗里达州立大学从事博士后研究;2010年就职于北京航空航天大学化学学院,2016年入选教育部青年长江学者,2016年获得中国化学会青年化学奖,2015年获国家优秀青年基金资助,2014年获第十四届霍英东基金资助,2012年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”和“北京市科技新星”。

        唐本忠,华南理工大学教授。1982年毕业于华南理工大学高分子系,获工学学士学位。1985年、1988年获日本京都大学硕士、博士学位。曾在多伦多大学从事博士后研究、日本NEOS公司中央研究所任高级研究员。1994年至今任香港科技大学助理教授、副教授、教授、讲座教授。2009年当选中科院院士。2012年起受聘为华南理工大学双聘院士。发表学术论文500多篇,他引10000多次,h因子为71。应邀为Chem. Rev.,Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res. 和Prog. Polym. Sci. 等高影响力杂志撰写了27 篇综述文章和40 篇专著章节。工作42次被C&EN(化学与工程新闻)、《自然》出版社《亚洲材料》等亮点报道、1 次入选《大英百科全书》、9 次被Acc. Chem. Res., Chem. Commun., Macromolecules 和J. Mater. Chem. 等选做封面。在学术会议上作了200场邀请报告(30 场大会报告和8场主题报告),拥有美国授权专利10项;美国专利申请21项,其中PCT申请5项。曾获国家自然科学二等奖、Croucher高级研究成就奖、中国化学会高分子基础研究王葆仁奖和Elservier杂志社冯新德聚合物奖。
主要从事高分子合成方法论的探索、先进功能材料的开发以及聚集诱导发光(AIE)现象的研究。主要研究领域包括:(1)设计合成新型聚合单体和构筑新型大分子,(2)开发适应多种官能团的立体有择性聚合催化剂,(3)合成线性与超支化共轭聚合物与有机金属聚合物,(4)研制具有光电磁和生物功能的先进材料。主要学术贡献有:发明了合成炔类聚合物的新催化体系;开拓了从炔类单体制备线性和超支化高分子的新聚合途径;制备了一系列具有光、电、磁、热和生物活性的新功能材料;发现了反常的AIE现象、解释了AIE过程的机理,并将AIE效应有效地应用到发光器件、化学检测和生物传感等技术领域。
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