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Nature Materials:通过振动诱导交联的机械适应仿生有机凝胶


一、文章概述

在自然界中,骨骼适应其所经历的机械力,从而使其自身增强以适应其所处的条件。
本文报道了一种复合材料,该材料能够适应其所经历的机械环境-随力、时间和机械搅拌频率的变化而改变其模量
(1)材料的适应性通过机械响应的ZnO来控制,该ZnO控制聚合物复合凝胶中硫醇和烯烃之间的交联反应,从而导致机械驱动的模量增加66倍。
(2)由于化学能的量是机械能输入的函数,因此材料沿应力分布感测并调整其模量,类似于骨骼重塑行为,材料可以相应地适应加载位置。
粘合剂到与生物系统接触的材料,此类材料设计具有广泛的应用。


二、图文导读


图1:通过机械-硫醇-烯聚合得到的骨重塑和合成自适应材料的概念图。

(a)骨重塑;小梁骨的机械活化导致选择性矿化,增强了材料晶格内的片段。

(b)通过机械硫醇-烯聚合进行有机凝胶重塑;压电ZnO的机械活化导致选择性聚合,从而增强了有机凝胶基质中的链段。将样品安装在电动振动器上,并以上下运动进行振动。

(c)TEGDE与EDT之间的线性聚合。

(d)EDT与1,3,5-triallyl-1,3,5-triazine-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮(TTT)的交联反应。

(e)通过机械硫醇-烯聚合,随着聚合物单体转化率的增加,Mn的析出。

(f)GPC曲线描绘了聚合物分子量随时间的变化。


图2:通过机械化学交联增强有机凝胶。

(a)在流变仪上进行力测试的快照。

(b)相同凝胶在有振动和无振动的情况下的应力-应变曲线。


图3:有机凝胶模量对不同机械输入的适应。


图4:材料结构重塑和力分布模型。

(a-c)振动后获得的不同几何形状的凝胶样品的纵向截面照片。在照片上标出了测试位置的弹性模量。左上角的照片显示了安装在电动摇床上的不同凝胶样品。

(d-f)以2000 Hz振动的相应样品纵向截面的von Mises应力分布的有限元模拟。假定材料参数在空间上均匀且具有弹性。


三、论文信息


Bio-inspired mechanically adaptive materials through vibration-induced crosslinking

Nature Materials (IF=38.663)

Pub Date : 2021-02-22

DOI: 10.1038/s41563-021-00932-5

Zhao Wang; Jun Wang; Jorge Ayarza; Tim Steeves; Ziying Hu; Saikat Manna; Aaron P. Esser-Kahn

Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago, Chicago, IL, USA



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