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北京林業大學李建章教授團隊 ACS Nano：熱刺激下的可編輯和形狀-顏色同步雙響應木材

2024-01-29 來源：高分子科技

受生物對外界環境反應行為的啟發，刺激響應材料中的熱驅動形狀記憶材料因其可控性、適用性和智能性等，在傳感器、致動器和電子產品等領域表現巨大的應用潛力，但其均一的結構導致其力學性能較差。天然木材獨特的多尺度層級結構使其成為增強形狀記憶材料力學性能的理想骨架，然而現有木基形狀記憶材料缺乏可編輯性和其他可擴展的智能響應特性（如性能可視化等），阻礙了其進一步發展。

圖1 SRW-TC的制備流程與性能優勢

近期，北京林業大學材料科學與技術學院李建章教授團隊通過熱致變色微膠囊(TCM)摻雜的vitrimers浸漬輕木脫木素骨架（圖1），制備了一種具有各向異性結構和可交換共價自適應網絡的可編輯形狀-顏色雙響應木材(SRW-TC)，其具有輕質、高強、隔熱、導光等特性，且兼具形狀記憶、可編輯、形狀-顏色同步雙響應特性。該雙響應智能木材在性能可視化、環境感知、材料交互性、信息雙加密、局部精確形狀和顏色調節等方面具有廣闊的智能應用前景。該工作以“Programmable and Shape-Color Synchronous Dual-Response Wood with Thermal Stimulus”為題發表在國際知名期刊《ACS Nano》上。

圖2 微觀結構、化學組成與光學性能

如圖2所示，由于脫木素木材骨架（WS）與摻入TCM的vitrimers(TCV)間的結合緊密，所制得SRW-TC呈半透明紫紅色，紅外光譜證實了制備過程中顯著的脫木素效果與成功的巰基-環氧點擊反應。良好的界面結合使得SRW-TC具有良好的光學透明度、高霧霾與較高的紫外線吸收能力，有利于調節光照環境、保護室內隱私且降低太陽輻射對人居環境的影響。同時，木材中的定向纖維排列賦予SRW-TC各向異性的光學特性，有望用于光管理材料，如增加光傳播范圍的節能建筑和具有強光漫射效果的光電器件。

圖3 力學性能、增強機理與性能可視化

由于層狀各向異性結構和緊密的界面相互作用的相互協同，SRW和SRW-TC的力學性能均顯著增強（圖3a-b）。在外力作用下，裂紋偏轉和界面分層可擴展裂紋路徑，促進能量耗散，而裂紋分支和裂紋橋接可穩定裂紋，避免應力集中，有利于強化和增韌（圖3c-e）。同時，由于不同溫度下的表觀顏色和機械性能差異，SRW-TC在25℃時呈紫紅色，抗拉強度為45.70 MPa，在40℃時變為白色，抗拉強度為13.28 MPa，顏色差值為64.19，這表明溫度可以同時引起顏色和強度變化(圖3f-j)。研究發現可借助色差直觀判斷材料的力學性能差異，這表明SRW-TC能夠用作性能可視化材料。

圖4 SRW-TC的形狀記憶與可編輯性能以及形狀-顏色雙響應協同關系

如圖4所示，SRW-TC借助玻璃態轉化溫度對性能的影響，可實現臨時形狀的變換與形狀記憶，形狀記憶行為具有循環穩定性，且TCM的引入可增加能耗途徑，進而對形狀記憶行為的速度產生輕微影響且對變形程度無不利影響。而借助拓撲轉變溫度以上的酯交換反應可通過動態共價網絡重排來實現SRW-TC形狀的編輯，這一特性使得SRW-TC可作為防眩光異形包覆材料。此外，SRW-TC還具有低導熱系數、形狀記憶-顏色變化的協同性與熱穩定性等優勢。

圖5 SRW-TC的應用探索

引入TCM使SRW-TC的外部溫度和內部力學性能可視化，其中WS作為增強骨架，vitrimers賦予形狀記憶和可編輯特性，TCM用于環境和性能指示。由圖5可知，SRW-TC能夠可視化形狀記憶和剛性/柔性切換，并通過形狀-顏色同步雙響應感知外部熱刺激，成功證實其在溫度傳感、抓取物體、圖標信息加密/解碼等具有廣泛的應用潛力。該研究可為開發高性能多功能木基材料提供新的思路。

北京林業大學博士研究生譚藝為第一作者，北京林業大學李建章教授、龔珊珊講師，中國林科院木材工業研究所盧蕓研究員為通訊作者，北京林業大學為第一完成單位。該工作得到了國家重點研發計劃項目(2017YFD0601205)、國家自然科學基金項目(31722011,32122058)、北京林業大學杰出青年人才培養項目(2019JQ03004)的資助。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c03607

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（責任編輯：xu）

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