在過去的十幾年中，金屬配位、鹽析、溶劑交換、雙網(wǎng)絡(luò)和共聚等策略被廣泛應(yīng)用于構(gòu)筑高強(qiáng)水凝膠的研究中，但在構(gòu)筑超高力學(xué)強(qiáng)度水凝膠方面仍面臨較大挑戰(zhàn)。纖維增強(qiáng)已成為設(shè)計(jì)高強(qiáng)水凝膠的可行策略，主要包括碳纖維、玻璃纖維、聚合物纖維和天然纖維。與合成纖維相比，可再生天然纖維具有碳足跡低、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是滿足碳中和需求的理想增強(qiáng)相。然而，傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)策略主要采用的是非互連纖維。當(dāng)纖維增強(qiáng)復(fù)合水凝膠受力時(shí)，非互連的纖維容易發(fā)生滑動甚至切斷水凝膠基質(zhì)，從而破壞纖維與基質(zhì)之間的協(xié)同作用，導(dǎo)致水凝膠快速失效。采用互連纖維網(wǎng)絡(luò)作為復(fù)合水凝膠增強(qiáng)相是一種很有前途的解決方案，可以克服這些挑戰(zhàn)并獲得更高的機(jī)械強(qiáng)度。
近日，武漢大學(xué)陳朝吉教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合鄧紅兵教授與浙江大學(xué)龐震乾教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于互連天然纖維網(wǎng)絡(luò)多尺度協(xié)同增強(qiáng)水凝膠的構(gòu)筑新策略。具體來說，共聚形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)填充在中空纖維素纖維的內(nèi)部和外部并焊接了纖維連接處，從而與纖維建立了強(qiáng)健的界面及豐富的強(qiáng)氫鍵，實(shí)現(xiàn)跨尺度增強(qiáng)。這種水-纖維素-共聚物相互作用調(diào)節(jié)輔助的跨尺度增強(qiáng)策略適用于多種聚合物水凝膠，為設(shè)計(jì)高強(qiáng)水凝膠提供了一條實(shí)用的通用途徑。相關(guān)研究成果以題為“Super-Strong Hydrogel Reinforced by An Interconnected Hollow Microfiber Network Via Regulating the Water-Cellulose-Copolymer Interplay”發(fā)表在《Science Bulletin》上。
圖1. P(AA-AM)/Cel水凝膠的跨尺度增強(qiáng)構(gòu)筑策略及展示
圖2. P(AA-AM)/Cel水凝膠結(jié)構(gòu)和組分相互作用機(jī)制
圖3. P(AA-AM)/Cel水凝膠的機(jī)械性能
圖4. P(AA-AM)/Cel水凝膠的增強(qiáng)機(jī)制理解
圖5. P(AA-AM)/Cel水凝膠的大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)及策略的普適性
圖6. P(AA-AM)/Cel水凝膠的傳感性能展示
作者簡介
陳朝吉，武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。2015年博士畢業(yè)于華中科技大學(xué)，2015-2021年分別于華中科技大學(xué)與馬里蘭大學(xué)帕克分校從事博士后研究，并于2021年5月入職武漢大學(xué)資環(huán)學(xué)院組建X-Biomass課題組。從事生物質(zhì)材料（木材、竹材、纖維素、甲殼素等）的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能化及高值利用方面的研究，致力于以天然材料解決可持續(xù)發(fā)展面臨的材料-能源-環(huán)境挑戰(zhàn)。以第一/通訊作者（含同等貢獻(xiàn)）在Nature (2篇)、Science、Nature Reviews Materials、Nature Sustainability (2篇)、Nature Communications (6篇)等國內(nèi)外著名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文100余篇，總引用33,000余次，H因子98，45篇論文入選ESI高被引論文，14篇（曾）入選熱點(diǎn)論文。獲科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”（2021-2024連續(xù)四年入選材料科學(xué)領(lǐng)域）、斯坦福大學(xué)“全球前2%高被引科學(xué)家”終身影響力榜單、麻省理工科技評論亞太區(qū)“35歲以下科技創(chuàng)新35人”、“ACS KINGFA Young Investigator Award”、“中國化學(xué)會纖維素專業(yè)委員會青年學(xué)者獎”、“中國新銳科技人物卓越影響?yīng)?/span>”、阿里巴巴達(dá)摩院“青橙優(yōu)秀入圍獎”、“Advanced Science青年科學(xué)家創(chuàng)新獎”、“R&D 100 Awards”等榮譽(yù)。擔(dān)任The Innovation Materials學(xué)術(shù)編輯，The Innovation、Research、SusMat、Environmental Science & Ecotechnology、Green Carbon、Molecules等雜志編委/青年編委，以及中國化學(xué)會纖維素專業(yè)委員會委員。
課題組網(wǎng)站：https://biomass.whu.edu.cn/index.htm
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.01.013
