近日，美國馬里蘭大學胡良兵教授課題組結(jié)合天然木材的高拉伸強度和水凝膠的柔性、高含水量等特點，實現(xiàn)了高度各向異性、高強且離子導電的木材水凝膠的制備。研究表明，有序纖維素納米纖維與聚合物分子鏈之間存在較強的氫鍵作用和交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得木材水凝膠的拉伸強度高達36 MPa，是目前報道的強度最高的水凝膠材料之一。此外，由于有序纖維素納米纖維帶有負電荷，該種木材水凝膠還可以作為納米流體導管實現(xiàn)類似生物肌肉組織的離子選擇性傳輸功能。該成果以題為"Muscle-Inspired Highly Anisotropic, Strong, Ion-Conductive Hydrogels"發(fā)表在Advanced Materials上。
圖1木材水凝膠的結(jié)構(gòu)和微觀網(wǎng)絡示意圖
(a) 常見的柔性橫紋肌肉組織示意圖；
(b) 7 cm長的木材水凝膠樣品扭曲180度的照片；
(c) 木材水凝膠內(nèi)部PAM分子鏈之間氫鍵和共價交聯(lián)示意圖。
圖2木材水凝膠和白木的光學以及SEM圖片
(a) 去除木質(zhì)素后白木的照片；
(b) 白木的放大圖像清晰地展現(xiàn)出有序的纖維排列；
(c) 白木的高倍SEM圖片證實了有序纖維素納米纖維；
(d) 沿L方向彎曲的水凝膠照片；
(e) 沿R方向彎曲0.01 M的水凝膠照片；
(f) 沿L和R方向彎曲的水凝膠都可以迅速恢復原始柱狀結(jié)構(gòu)而沒有斷裂或者塑性形變；
(g) 去除木質(zhì)素后木塊R方向橫截面的SEM圖像，顯示其內(nèi)表面有許多孔；
(h) 與PAM水凝膠形成木材水凝膠的R方向橫截面的SEM圖像；
(i) 木材水凝膠的放大SEM圖像，顯示出詳細的微觀結(jié)構(gòu)；
(j) 白木的L方向橫截面SEM圖像；
(k) 木材水凝膠的L方向橫截面SEM圖像；
(l) 木材水凝膠的放大SEM圖像。
圖3 木材水凝膠的力學性質(zhì)
(a) PAM水凝膠和木材水凝膠R方向上的應力-應變曲線；
(b) 木材水凝膠L方向上的應力-應變曲線；
(c) 與其他水凝膠相比的極限拉伸強度；
(d) 木材水凝膠的SEM側(cè)視圖圖像，顯示PAM網(wǎng)絡和白木孔道的詳細微觀結(jié)構(gòu)；
(e, f) 木材水凝膠的放大SEM圖像，顯示有序纖維素納米纖維也通過氫鍵與PAM分子鏈交聯(lián)；
(g) PAM高分子鏈與有序纖維素納米纖維間氫鍵結(jié)合的示意圖。
圖4 木材水凝膠中的離子傳輸
(a) 木材水凝膠中離子傳輸?shù)臋C制示意圖；
(b) 測試電路的示意圖；
(c) 10-5 M KCl溶液中木材水凝膠的Zeta電位；
(d) 木材水凝膠和KCl溶液在pH 7左右時，離子電導率與KCl濃度的關系圖。
本文受肌肉組織結(jié)構(gòu)的啟發(fā)制備了一種高度各向異性、高強且離子導電的木材水凝膠材料，其中天然木材提供剛性骨架結(jié)構(gòu)而聚合物鏈作為交聯(lián)網(wǎng)絡。該種木材水凝膠沿L方向的拉伸強度達到36 MPa，而且離子電導率為5 × 10-4 S cm-1。因此，有序微結(jié)構(gòu)的仿生設計能夠較好地平衡機械性能、離子導電率以及規(guī)；苽涞纫蛩，提供了先進水凝膠材料設計的新方向。同時，木材水凝膠的這些優(yōu)點使得它們有望在軟組織、智能傳感器設備以及納米流體器件等領域得到應用。
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