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Angew. Chem.: 原位形成超支化簇聚集体构筑层级交联聚脲离子凝胶2024-10-17
离子凝胶在柔性电子领域具有重要的应用前景,其网络结构在决定其性能和应用方面发挥着关键作用。通过化学结构设计调控离子凝胶的网络结构是一种有效的策略。以往线性结构表现出高滞后性,而共价交联结构则无法修复。因此,动态共价交联网络一直是聚合物凝胶研究领域的前沿。然而,该网络中动态键的键能相对较弱,导致其拉伸强度低,拉伸过程中能量耗散大,从而产生明显的滞后现象。因此,通过分子设计新型网络结构来解决动态共价交联网络中存在的缺陷仍是一个巨大的挑战。

近期,受海洋生物水母蛋白的层级结构启发,华南理工大学海洋工程材料团队报道了一种新颖的层级交联网络结构设计策略,即通过原位形成超支化簇聚集体(HCA),从而实现聚脲离子凝胶网络的拓扑结构调控。这种独特的网络结构设计赋予聚脲离子凝胶高强度、优异的韧性、抗穿刺、低滞后、自修复和荧光性能等。

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图1. 海洋生物启发的聚脲离子凝胶网络设计及制备

该团队提出了通过原位形成超支化簇聚集体(HCA)构筑聚脲离子凝胶的层级交联网络结构。这种方法巧妙地利用了官能团之间化学反应活性的差异,通过竞争反应原位形成了超支化簇。这些簇通过长链聚氨酯预聚物连接。特别是,簇与簇之间可通过超分子作用进一步聚集成更大的尺寸,从而形成具有层级交联网络结构的聚脲离子凝胶。

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图2. 层级交联网络与传统动态共价交联网络的机械性能对比

与传统的动态共价交联网络相比,这种层级交联网络赋予聚脲离子凝胶高拉伸强度、优异的韧性、低滞后及抗刺穿性。

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图3.层级交联网络的结构表征

此外,通过AFM分子力谱、红外光谱、小角X射线散射、AFM纳米力学mapping、透射电镜等表征方法解释了这种HCA结构与性能之间的关系。

综上所述,受海洋生物水母蛋白的层级结构启发,我们利用原位形成超支化簇聚集体(HCA)设计了一种新颖的层级交联网络结构。这种原位形成的HCA 具有合成简单、可精确调整网络拓扑结构和赋予交联点功能性等优点。由此产生的离子凝胶具有优异的性能,包括高强度、优异的韧性、抗穿刺,低滞后性、自愈性和荧光性,超越了传统的动态交联网络结构。该研究为离子凝胶网络结构设计及高性能离子凝胶的制备提供了新的思路。

文信息

Jellyfish-inspired Polyurea Ionogel with Mechanical Robustness, Self-Healing, and Fluorescence Enabled by Hyperbranched Cluster Aggregates

Zhipeng Zhang, Lu Qian, Bin Zhang, Chunfeng Ma*, Guangzhao Zhang

文章的通讯作者为华南理工大学马春风教授,第一作者是华南理工大学的博士生张志鹏

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202410335

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