天然蛛絲具有層級結(jié)構(gòu),其中β-晶簇作為固定和動態(tài)交聯(lián)位點,賦予蛛絲優(yōu)異的力學(xué)強度與韌性,這啟發(fā)了動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計策略。近年來,基于主客體相互作用的滑環(huán)交聯(lián)策略因能通過拓撲重排松弛應(yīng)力、提升材料韌性而受關(guān)注,但分子尺度上拓撲結(jié)構(gòu)變化引發(fā)的應(yīng)力傳遞與網(wǎng)絡(luò)失效機制尚不明確,尤其滑環(huán)分子在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)力耗散機制缺乏研究;雖已有實驗將滑環(huán)分子引入共價網(wǎng)絡(luò)制備出高性能雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(DCN)材料,但受限于實驗表征技術(shù),難以直接觀察分子尺度下環(huán)的運動與網(wǎng)絡(luò)斷裂過程,DCNs的兩種交聯(lián)模式協(xié)同效應(yīng)與網(wǎng)絡(luò)解體的分子機制仍未完全明晰。
近期,南開大學(xué)劉遵峰課題組利用粗粒化分子動力學(xué)(CGMD)模擬方法研究了雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(DCN)在單軸拉伸下的變形與斷裂解體行為,量化分析滑環(huán)交聯(lián)比例對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)、鏈構(gòu)象演變、局部應(yīng)力異質(zhì)性及環(huán)滑動動力學(xué)的影響。最終闡明滑環(huán)與共價交聯(lián)協(xié)同增強材料力學(xué)性能的分子機制。模型表明,僅含滑環(huán)的網(wǎng)絡(luò)在受力時會出現(xiàn)更顯著的環(huán)聚集和鏈滑移,導(dǎo)致多折疊的軸鏈伸直和展開,最終形成高度取向的構(gòu)型。相比之下,DCN利用共價錨點來調(diào)控滑環(huán)的運動,穩(wěn)定多折疊鏈結(jié)構(gòu),并平衡能量耗散與結(jié)構(gòu)完整性。這些分子層面的見解得到了實驗的支持。通過調(diào)節(jié)滑環(huán)交聯(lián)比例并引入 Zr4+離子調(diào)節(jié)分子間相互作用,成功制備了具有卓越拉伸強度(1.18GPa)和韌性(135MJm?3)的人造蛛絲纖維。


圖1. 滑環(huán)與共價交聯(lián)協(xié)同的分子機制以及不同滑環(huán)交聯(lián)比例的DCN的粗;W(wǎng)絡(luò)模型(透明藍色為聚合物珠粒,品紅色為共價交聯(lián)納米顆粒,黃色為滑環(huán)交聯(lián)劑的軸鏈,綠色為滑環(huán)分子。從完全共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)過渡到完全滑環(huán)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò))。

圖2. 滑環(huán)交聯(lián)比例(fslide)對交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。(a) CN,SCN,DCN0.5纖維的取向因子(f?)隨應(yīng)變變化圖,插圖為SCN與DCN0.5在0%和300%應(yīng)變下的 2D SAXS 圖譜;(b)不同fslide的 DCN 纖維的實驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線,插圖為對應(yīng)CGMD的模擬應(yīng)力-應(yīng)變曲線;(c)不同應(yīng)變下DCN0.5斷裂橫截面的SEM圖像;(d) 不同應(yīng)變下SCN斷裂橫截面的SEM圖像;(e) DCN0.5從初始狀態(tài)到400% 應(yīng)變的CGMD拉伸快照;(f) SCN從初始狀態(tài)到400%應(yīng)變的CGMD拉伸快照。

圖3. 滑環(huán)網(wǎng)絡(luò)(SCN)與雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(DCN)在單軸拉伸下的鏈構(gòu)象演變、局部應(yīng)力異質(zhì)性以及環(huán)滑動動力學(xué)的定量研究。(a)不同應(yīng)變下SCN體系中代表性的滑環(huán)交聯(lián)劑的快照;(b) 不同應(yīng)變下DCN0.5體系中代表性的滑環(huán)交聯(lián)劑的快照;(c) DCN0.5與SCN體系中軸鏈在拉伸方向的局部應(yīng)力分布云圖;(d) 不同fslide網(wǎng)絡(luò)在不同歸一化應(yīng)變下環(huán)沿軸鏈分布演化;(e) 不同fslide的軸鏈的鏈端與中部珠子的局部應(yīng)力比(σ?/?)隨應(yīng)變的演化;(f) DCN0.5與SCN體系中環(huán)的平均滑動位移(Dslide)隨應(yīng)變的函數(shù);(g)軸鏈的平均折疊層數(shù)隨應(yīng)變的函數(shù)。
原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.5c02101
南開大學(xué)劉遵峰教授課題組招收博士生(2026年入學(xué))、師資博士后
學(xué)科方向:材料學(xué)、化學(xué)、高分子、物理、生物學(xué)、紡織與纖維、金屬、計算模擬、電子信息等學(xué)科
劉遵峰教授,國家杰青,在Science、Nat. Commun、AM等期刊發(fā)表論文100余篇。實驗室的主要科研方向是彈性器件、人工肌肉、可穿戴設(shè)備、固態(tài)制冷等。率先發(fā)展了基于捻曲結(jié)構(gòu)的蠶絲等全天然纖維材料的智能響應(yīng)性織物。研制了“捻曲核殼結(jié)構(gòu)”的水凝膠纖維,實現(xiàn)了類蜘蛛絲的多層次結(jié)構(gòu)特征,通過有機高分子合成實現(xiàn)了接近天然蜘蛛絲的強度和韌性。捻曲結(jié)構(gòu)減小了材料的熵,使彈性體的制冷效率從32%增加到67%。并發(fā)現(xiàn)了多種基于捻曲結(jié)構(gòu)的彈熱制冷材料,拓展了固態(tài)制冷技術(shù)的范疇。發(fā)展了基于零泊松比褶皺結(jié)構(gòu)的彈性導(dǎo)體,并實現(xiàn)了導(dǎo)電通路的調(diào)控,制備了200%應(yīng)變下高線性的電阻型應(yīng)變傳感器,解決了電阻型應(yīng)變傳感器大形變下線性差的問題;并基于此,構(gòu)建了多層次協(xié)同作用的模擬神經(jīng)傳導(dǎo)、應(yīng)變傳感、驅(qū)動為一體的人工肌肉纖維。
1.高強韌纖維、智能材料
2.人工肌肉、傳感器
3.納米材料、扭熱制冷等
課題組網(wǎng)址:https://liuzunfeng.nankai.edu.cn
1.博士招收采取推免制,具有獨立的科研能力,英語水平良好(6級或其它相當(dāng)水平),具有發(fā)表英文學(xué)術(shù)論文經(jīng)驗;性格開朗,有良好的團隊合作和對外溝通能力;
2. 能夠協(xié)助合作導(dǎo)師管理和完成科研項目并協(xié)助指導(dǎo)研究生。
3. 要求應(yīng)聘人員工作認真負責(zé),踏實肯干,具團隊精神。
4. 師資博士后待遇優(yōu)厚,分為A、B檔等,待遇優(yōu)厚,子女入學(xué)托。
具體可參考南開大學(xué)博士后招生網(wǎng)站:https://rsc.nankai.edu.cn/2024/1231/c13662a561059/page.htm
應(yīng)聘方式
(一)請應(yīng)聘者將簡歷及相關(guān)證明材料(文章、成果情況等)通過郵件,以“應(yīng)聘崗位+姓名”為主題發(fā)送至以下郵箱:liuzunfeng@nankai.edu.cn
(二)將以郵件或電話的方式通知通過初選的應(yīng)聘者,前來參加本單位組織的筆試或面試。
代表性論著:
1.Zunfeng Liu, Shaoli Fang*, Ray H. Baughman* et al. Hierarchically Buckled Fibers for Superelastic Electronics, Sensors, and Muscles, Science, 2015, 349(6246): 400-404.
2. Run Wang#, Shaoli Fang#, Zunfeng Liu*, Ray H. Baughman* et al. Torsional refrigeration by twisted, coiled, and supercoiled fibers, Science, 2019, 366(6462): 216-221.
3. Kaiqing Yu, Chao Li, Wenhui Gu, …, Meifang Zhu*, Xiang Zhou*,Zunfeng Liu*. High-strength cellulose fibres enabled by molecular packing. Nature Sustainability, 8, 411–421 (2025).
4. Xiang Zhou, Shaoli Fang, Xueqi Leng,Zunfeng Liu,* and Ray H. Baughman*. Power of the Fiber Twist. Acc. Chem. Res.2021,54,2624?2636
5. Yuanyuan Dou,Zunfeng Liu* et al. Artificial Spider Silk from Ion-Doped and Twisted Core-Sheath Hydrogel Fibres, Nat. Commun, 2019, 10, 5293.
下載:論文原文。
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- 浙工大劉善秋教授/浙大林強教授 Small:常溫溶劑蒸發(fā)觸發(fā)不可逆共價交聯(lián)實現(xiàn)極端條件下強效粘接 2025-05-14
- 中國林科院林化所儲富祥/王基夫 CEJ:采用纖維素共價交聯(lián)策略的電子皮膚用導(dǎo)電壓敏膠 2024-10-18
- 燕山大學(xué)焦體峰、秦志輝團隊 Macromolecules: 鹽析效應(yīng)與原位聚合協(xié)同構(gòu)筑高強韌環(huán)境耐受性導(dǎo)電聚合物有機水凝膠 2025-12-13
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