纤维素和丙烯酰胺构筑的仿生新材料研究取得进展

纤维素和丙烯酰胺构筑的仿生新材料研究取得进展

许多生命有机体虽然是由普通有机聚合物如多糖、蛋白质、氨基酸等构成，但却具有复杂的化学构效和神奇的机体行为，带给科学工作者许多深刻的思考。比如，植物的很多优异性能都有多糖分子及其纤丝结构的重要作用，蜘蛛丝、蚕丝和贻贝的很多优异特性都与其蛋白结构直接相关，而海参的神奇行为也同样有蛋白和多糖参与在其中。以自然界中的神奇生物结构为榜样，在分子尺度上寻找与多糖分子相异又互补的单体进行组配设计，通过灵活重组来促进新的、更强结构体的诞生，衍生更符合人类期盼的生物基仿生新材料，是一个有趣而又重要的研究方向。

近日，东北林业大学于海鹏教授、武汉大学陈朝吉教授及沈阳化工大学赵大伟副教授在国·际著·名学术期刊《Advanced Materials》上发表了题为“A stiffness-switchable, biomimetic smart material enabled by supramolecular reconfiguration”的zui新研究成果。

该研究工作以海参具有的软-硬可逆变换特性为参考，通过分析其真皮组织组分及反应特点，以具有广泛来源的纤维素、丙烯酰胺为原料来模拟海参的胶原纤维、氨基酸和多糖组分间的相互作用，通过水-醇的溶剂诱导作用来调控它们的超分子拓扑网络变化，以实现其宏观结构和力学特性的可变性，并成功获得了一种机械性能可切换的智能材料。

该智能材料在水相中呈现水母般的透明、柔软状态和出色的变形能力，这是源于其两相大分子均亲水并在水相中呈线性伸展构型；而在乙醇的刺激下，丙烯酰胺会围绕半刚性的纤维素大分子链自组装絮聚并聚合，形成了超分子构象转变和结构增强，从而实现了刚度值470多倍的变化。这种状态下可承受超过其自身重量35000倍的载荷，可抵抗比冲击强度高达116 kJ/m²/(g/cm³)的冲击，甚至是尖锐物的高速穿刺，比抗穿刺吸收能量达705J/m/(g/cm³)，优于常规的石英玻璃、高密度聚乙烯、铝合金等硬质材料，甚至可媲美凯夫拉纤维和D3O等优异的商用保护材料。

这种材料具有可设计性、可回收性、自愈性，容易实现大规模制造，其轻质高强的结构特性可在防护装置领域、高强度先·进工程领域具有很大的应用前景。

该研究得到了国·家自然科学基金等项目资助。