近期，天津大學(xué)化工學(xué)院仰大勇課題組在動態(tài)化學(xué)材料領(lǐng)域取得新進(jìn)展，研究結(jié)果發(fā)表于材料化學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊Chemistry of Materials，相關(guān)成果已申請中國發(fā)明專利。主要作者包括天津大學(xué)化工學(xué)院副教授李鳳、碩士研究生張雪和北京計算科學(xué)研究中心研究員胡淑嫻。研究得到國家自然科學(xué)基金的資助支持。
自然界中一些生物（如海參）遇到外界刺激時可實現(xiàn)身體結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度的可逆動態(tài)調(diào)節(jié)，從而更好地適應(yīng)環(huán)境和生存。受這類生物體動態(tài)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，人們設(shè)計并合成了多種高分子仿生智能材料，它們能夠像生物體一樣“感知”各種外部刺激，從而改變自身的機(jī)械性能。氧化還原反應(yīng)是生物體實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)機(jī)制，因此開發(fā)基于氧化還原刺激響應(yīng)的機(jī)械性能可調(diào)智能材料對開發(fā)功能生物器件和組織修復(fù)等生物應(yīng)用具有重要意義。目前，基于氧化還原響應(yīng)性的機(jī)械性能可調(diào)智能材料的設(shè)計構(gòu)建仍然存在挑戰(zhàn)。
天津大學(xué)化工學(xué)院仰大勇教授課題組發(fā)展了氧化還原響應(yīng)動態(tài)材料化學(xué)新體系—基于碲鉑配位作用的動態(tài)體系，并合成了動態(tài)水凝膠，通過氧化還原刺激實現(xiàn)水凝膠機(jī)械性質(zhì)的動態(tài)調(diào)控。有機(jī)碲具有低的電負(fù)性和出色的σ供電子能力，可與一些過渡金屬離子（例如鉑離子）形成良好的配位作用。
更為重要的是，這種配位作用具有靈敏的氧化還原刺激響應(yīng)性：當(dāng)碲被氧化時，被氧化的碲失去與鉑離子的配位作用；而當(dāng)氧化碲被還原后，碲又可恢復(fù)與鉑離子的配位作用。通過分子熱力學(xué)模擬，從分子水平闡明了這種動態(tài)配位機(jī)理。
進(jìn)一步，在含碲分子兩端修飾上丙烯酰胺基團(tuán)，利用自由基聚合將有機(jī)碲引入到水凝膠骨架中，同時在水凝膠體系中加入鉑離子，通過碲鉑配位實現(xiàn)了水凝膠體系的進(jìn)一步交聯(lián)。這種水凝膠的機(jī)械性能和微觀結(jié)構(gòu)具有氧化還原刺激響應(yīng)性：氧化條件下，碲被氧化，碲鉑配位作用消失，水凝膠交聯(lián)度降低，三維網(wǎng)絡(luò)孔徑增大，機(jī)械強(qiáng)度降低；還原條件下，碲被還原，碲鉑配位作用恢復(fù)，水凝膠交聯(lián)度升高，三維網(wǎng)絡(luò)孔徑變小，機(jī)械強(qiáng)度提高。機(jī)械性能動態(tài)可調(diào)的水凝膠在仿生驅(qū)動器、軟質(zhì)機(jī)器人等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛能。
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https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.chemmater.9b05375
