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  近日，美國(guó)馬里蘭大學(xué)胡良兵教授課題組結(jié)合天然木材的高拉伸強(qiáng)度和水凝膠的柔性、高含水量等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高度各向異性、高強(qiáng)且離子導(dǎo)電的木材水凝膠的制備。研究表明，有序纖維素納米纖維與聚合物分子鏈之間存在較強(qiáng)的氫鍵作用和交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得木材水凝膠的拉伸強(qiáng)度高達(dá)36 MPa，是目前報(bào)道的強(qiáng)度最高的水凝膠材料之一。此外，由于有序纖維素納米纖維帶有負(fù)電荷，該種木材水凝膠還可以作為納米流體導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)類(lèi)似生物肌肉組織的離子選擇性傳輸功能。該成果以題為"Muscle-Inspired Highly Anisotropic, Strong, Ion-Conductive Hydrogels"發(fā)表在Advanced Materials上。

圖1木材水凝膠的結(jié)構(gòu)和微觀網(wǎng)絡(luò)示意圖

(a) 常見(jiàn)的柔性橫紋肌肉組織示意圖；

(b) 7 cm長(zhǎng)的木材水凝膠樣品扭曲180度的照片；

(c) 木材水凝膠內(nèi)部PAM分子鏈之間氫鍵和共價(jià)交聯(lián)示意圖。

圖2木材水凝膠和白木的光學(xué)以及SEM圖片

(a) 去除木質(zhì)素后白木的照片；

(b) 白木的放大圖像清晰地展現(xiàn)出有序的纖維排列；

(c) 白木的高倍SEM圖片證實(shí)了有序纖維素納米纖維；

(d) 沿L方向彎曲的水凝膠照片；

(e) 沿R方向彎曲0.01 M的水凝膠照片；

(f) 沿L和R方向彎曲的水凝膠都可以迅速恢復(fù)原始柱狀結(jié)構(gòu)而沒(méi)有斷裂或者塑性形變；

(g) 去除木質(zhì)素后木塊R方向橫截面的SEM圖像，顯示其內(nèi)表面有許多孔；

(h) 與PAM水凝膠形成木材水凝膠的R方向橫截面的SEM圖像；

(i) 木材水凝膠的放大SEM圖像，顯示出詳細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)；

(j) 白木的L方向橫截面SEM圖像；

(k) 木材水凝膠的L方向橫截面SEM圖像；

(l) 木材水凝膠的放大SEM圖像。

圖3 木材水凝膠的力學(xué)性質(zhì)

(a) PAM水凝膠和木材水凝膠R方向上的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

(b) 木材水凝膠L方向上的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

(c) 與其他水凝膠相比的極限拉伸強(qiáng)度；

(d) 木材水凝膠的SEM側(cè)視圖圖像，顯示PAM網(wǎng)絡(luò)和白木孔道的詳細(xì)微觀結(jié)構(gòu)；

(e, f) 木材水凝膠的放大SEM圖像，顯示有序纖維素納米纖維也通過(guò)氫鍵與PAM分子鏈交聯(lián)；

(g) PAM高分子鏈與有序纖維素納米纖維間氫鍵結(jié)合的示意圖。

圖4 木材水凝膠中的離子傳輸

(a) 木材水凝膠中離子傳輸?shù)臋C(jī)制示意圖；

(b) 測(cè)試電路的示意圖；

(c) 10-5 M KCl溶液中木材水凝膠的Zeta電位；

(d) 木材水凝膠和KCl溶液在pH 7左右時(shí)，離子電導(dǎo)率與KCl濃度的關(guān)系圖。

  本文受肌肉組織結(jié)構(gòu)的啟發(fā)制備了一種高度各向異性、高強(qiáng)且離子導(dǎo)電的木材水凝膠材料，其中天然木材提供剛性骨架結(jié)構(gòu)而聚合物鏈作為交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。該種木材水凝膠沿L方向的拉伸強(qiáng)度達(dá)到36 MPa，而且離子電導(dǎo)率為5 × 10^-4 S cm^-1。因此，有序微結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)能夠較好地平衡機(jī)械性能、離子導(dǎo)電率以及規(guī)模化制備等因素，提供了先進(jìn)水凝膠材料設(shè)計(jì)的新方向。同時(shí)，木材水凝膠的這些優(yōu)點(diǎn)使得它們有望在軟組織、智能傳感器設(shè)備以及納米流體器件等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.201801934