纖維素是一種取之不盡、用之不竭的天然高分子,其結構為D型葡萄糖相互連接而成的線型剛性高分子鏈。纖維素的親水性、手性、生物降解性使之成為重要的材料原料,目前在化學新材料領域中占據(jù)一席之地。
武漢大學蔡杰與張俐娜研究團隊最近用纖維素為原料制備了高強度、高韌性的雙網(wǎng)絡水凝膠,這是科研界第一次開發(fā)出高強度、高韌性的纖維素水凝膠。
為了使凝膠材料獲得高強度性質(zhì),研究者使用雙網(wǎng)絡水凝膠的思路進行制備。具體方法為:先將纖維素溶解在氫氧化鋰/尿素的混合溶液中,隨后加入表氯醇作為交聯(lián)試劑,在一定時間后,就形成了第一個化學交聯(lián)的三維網(wǎng)絡。再進行中和,這樣就形成了基于氫鍵、鏈纏結和纖維素II微晶水合物的的第二個三維網(wǎng)絡。
研究者制備該雙網(wǎng)絡水凝膠的制備過程示意圖
得到的雙網(wǎng)絡水凝膠呈現(xiàn)透明或者是半透明的外觀,水含量在84-96%。值得一提的是,這種水凝膠可以折疊,壓力解除后可以迅速恢復原始形狀。
圖a&c:經(jīng)過單一化學或者物理因素交聯(lián)的水凝膠,受到較大壓力后凝膠破裂。圖b:雙網(wǎng)絡水凝膠
另外,這種凝膠具有很好的形狀可塑性。作為概念的展示,研究者將其制備成球狀。這個凝膠球具有很強的機械性能與恢復性能,甚至可以作為乒乓球來使用。
研究者用這個凝膠做成了一個乒乓球
隨后,研究者使用3D拉曼光譜、原子力顯微鏡等多種表征技術證明了材料的雙網(wǎng)絡特點。
圖a&b:3D拉曼光譜中可以觀察到兩種不同的顏色,代表著雙網(wǎng)絡造成的兩種不同的化學微環(huán)境。圖c:單一化學或物理因素交聯(lián)的拉曼光譜圖。圖d:原子力顯微鏡圖像。
研究者希望這種材料可以作為新型的生物醫(yī)用材料,并對其他多糖類天然高分子材料的開發(fā)也有著借鑒意義。
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