沈阳化工大学研究生，沈阳化工大学研究生院
自然界的生命体存在一种独特的技能，他们可以根据自身所处的环境状态及变化可自我调控组织的机械刚度，如海参在受到外界刺激时可以本能地将自身组织刚度从5 MPa提升至50 MPa，这种看似简单的生命本能行为对于人工合成材料而言却很难获取和拥有。
近年来，借鉴自然智慧，人们通过构建水-离子双调控的氢键拓扑网络（即可逆的图灵形貌）、添加过冷盐、引入热因子等方法合成了一些刚度可切换的材料。但是，开发一种拥有如下性能特征的材料一直极具挑战：极端的机械刚性可逆切换（不出现过早失效）、与生物体相仿的损伤自我修复性、并兼具大尺度加工可扩展特性等。
图1 离子-水双调控的氢键拓扑结构及图灵形貌构建（Matter 2020, 2, 390-403）
近日，沈阳化工大学能源与化工产业技术研究院（产研院）许光文教授团队的赵大伟博士联合东北林业大学于海鹏教授等研究人员，以沈阳化工大学为第一完成单位在国际顶级期刊Advanced Materials（IF：30.849）发表了研究论文“A Stiffness-Switchable, Biomimetic Smart Material Enabled by Supramolecular Reconfiguration”，报道了一种新创制的功能材料，弥补了传统材料的不足与缺陷，实现了上述性能特征。他们利用纤维素分子（Cel）及聚丙烯酰胺分子（PAAm）在乙醇刺激作用方面的差异性表达，构建出形成一种动态可切换的超分子构型网络，成功开发了一种机械性能可动态切换的智能材料（Cel-PAAm）。
图2 可逆的超分子构型策略及开发的智能Cel-PAAm材料
该智能Cel-PAAm材料可以在软-硬两种极端状态间实现可逆动态切换，且在外界刺激增强的状态下，Cel-PAAm材料展现出诸多优越机械性能，如（1）强悍类金属刚性，刚度值可达243.6 MPa，是软状态下的470倍之高；（2）卓越承载能力，可以承受超过其自身重量35000倍的物体；（3）优异抗刺穿性能，其比抗穿刺吸收能为704.9 ± 43.6 J m−1 (g cm−3)−1，优于常规的硬材料，如玻璃、木材及高密度聚乙烯毡，强度值甚至达到铝板的2倍（269.8 ± 17.5 J m−1 (g cm−3)−1）；（4）极好冲击性能，材料比冲击强度可达116 kJ m−2(g cm−3)−1，优于很多金属及合金材料，甚至可与商用防护材料如D3O和Kevlar（凯夫拉）相媲美。
图3 Cel-PAAm材料展现出卓越的机械性能
图4 创制材料的加工可设计、循环利用与自愈合特征功能
此外，Cel-PAAm材料所拥有的可逆超分子构型网络，致其在展现出优异的软-硬动态可切换性能的同时，还使材料具有独特的加工可设计性、循环可利用性（回收再利用材料的性能如原始材料、以及类生命体的自我修复性（破损之后性能可以自我恢复）。创制的Cel-PAAm特征材料在智能机器人、可植入医疗电子、增材制造、智能防护等领域（如图4示）展现了巨大应用潜力。
论文信息：
https://sciencedirect.53yu.com/science/article/pii/S2590238519302905
https://onlinelibrarywiley.fenshishang.com/doi/abs/10.1002/adma.202107857
(来源：沈阳化工大学 版权属原作者 谨致谢意）
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