三個月內(nèi)連發(fā)2篇論文,鮑哲南課題組新發(fā)現(xiàn)可承受5000倍自重的人造肌肉
7 月 2 日,美國斯坦福大學化學工程系鮑哲南課題組博士后研究員鄭雨晴等以第一作者的身份在 Science 上發(fā)表了與“全光刻無刻蝕工藝”相關(guān)的研究成果。不到三個月,鮑哲南課題組再發(fā)表新的重大研究成果。
圖|鮑哲南(來源:斯坦福大學)
鮑哲南課題組本次發(fā)現(xiàn)了一種被稱為“人造肌肉”的高性能形狀記憶聚合物(Shape memory polymers,SMPs),該聚合物可以承擔自身 5000 倍的重量,這種高能密度存儲材料具有大應變和無遲滯形態(tài)恢復的優(yōu)越性能。在軟體機器人、可開展鉸鏈、密封劑和智能生物醫(yī)學縫合等新興領(lǐng)域具有廣泛的應用。
圖|人造肌肉(來源:ACS Central Science)
9 月 8 日,相關(guān)論文以《利用應變誘導超分子納米結(jié)構(gòu)的高能量密度形狀記憶聚合物》(High Energy Density Shape Memory Polymers Using Strain-Induced Supramolecular Nanostructures)為題發(fā)表在 ACS Central Science 上,由克里斯托弗·庫珀(Christopher B. Cooper)擔任第一作者,鮑哲南擔任通訊作者。
該研究主要揭示了應變誘導超分子納米結(jié)構(gòu)形成人造肌肉的方法,聚合物鏈發(fā)生應變后會整齊地排列,拉伸鏈呈高度伸長狀態(tài)。
加熱條件下動態(tài)鍵發(fā)生斷裂,拉升鏈收縮呈無序排列狀態(tài),在這種狀態(tài)下聚合物鏈儲存的熵能高達 17.9 J/g。這比以往形狀記憶聚合物的熵能高 6 倍,為實現(xiàn)高能量密度形狀記憶聚合物提供了新的方法。
圖|超分子結(jié)構(gòu)在SMPs中實現(xiàn)高能量密度(來源:ACS Central Science)
形狀記憶聚合物在形狀復原、延展性和工藝制造等方面也具有顯著優(yōu)勢。主要體現(xiàn)在以下兩個方面,一是均勻、周期性納米纖維垂直應變形態(tài),二是長纖維與帶狀納米纖維鄰近區(qū)域之間出現(xiàn)的應變平行。
在未來應用場景方面,形狀記憶聚合物與 3D 打印等技術(shù)相結(jié)合有巨大的應用空間。但是,形狀記憶聚合物在能量密度方面的缺陷限制了其在機械工程領(lǐng)域的應用,為了突破這一難題,科學家對形狀記憶聚合物進行了外部刺激。
圖|3D 打印相關(guān)應用(來源:Pixabay)
PDMs 結(jié)構(gòu)可跨越 5 個數(shù)量級,在宏觀尺度上可形成均勻薄膜
在光或熱等外部因素的刺激下,形狀記憶聚合物的始末狀態(tài)變得可逆。然而,要使其同時兼?zhèn)涓邚姸?、大范圍伸縮的恢復應力仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。
該團隊對先前描述的 PDMs 胺端基大單體合成進行了修飾,通過一系列化學反應將得到的混合物在室溫下攪拌 72h,直到溶液凝膠并部分沉淀。然后,將合成的聚合物在甲醇中淬火,加入過量的己烷完全沉淀,同時讓回收的聚合物在 90℃ 的真空中蒸發(fā) 2h。
為了更好地理解柔性骨干聚合物聚丙烯乙二醇和強定向氫鍵單元甲基雙苯基尿素(PPG- MPU)形狀記憶性能分子和微觀結(jié)構(gòu)來源,該團隊收集了聚合物塊體薄膜在 0% 和 500% 應變下的二維透射圖像。
應變薄膜表現(xiàn)出更高的強度和顯著的各向異性散射模式,與定向單軸變形聚乙烯的散射模式類似,高強度區(qū)域與拉伸方向呈現(xiàn)一致,這表明周期結(jié)構(gòu)垂直于應變方向。
圖|應變誘導的超分子納米結(jié)構(gòu)(來源:ACS Central Science)
上述結(jié)構(gòu)表征數(shù)據(jù)顯示了一個清晰的層次結(jié)構(gòu),沿著應變軸產(chǎn)生的長纖維由直徑約為 8nm 的帶狀纖維組成,這種纖維被無定形連接域隔開,每一種納米纖維都由氫鍵尿素基團排列成棒狀。通過拉伸的 PPG 連接,由此產(chǎn)生的層次結(jié)構(gòu)跨越 5 個數(shù)量級,并在宏觀尺度上形成均勻的薄膜。
聚合物的升力可達其自重的 5000 倍
最后,該團隊在各種演示中展示了 PPG-MPU 在強、快、軟及單向驅(qū)動器的潛力。動態(tài)實驗展示了人造肌肉預緊和扭曲的 PPG-MPU 薄膜在熱風槍加熱之后的狀態(tài)??梢杂^察到,PPG-MPU 薄膜在不到1秒時間內(nèi)即可旋轉(zhuǎn)四分之一的角度,聚合物的升力可達到其自身重量的 5000 倍,輸出的功率為 2w/g。
該實驗還展示了另一種可將 70g 重量提高了 5.1cm 性能,輸出功輸出為 1.4 J/g 的預緊 PPG-MPU 膜,如果將 PPG-MPU 膜在放置在加熱板上,可以快速、無負載形狀恢復。
圖|SMP 拉升 70 克重量實驗(來源:ACS Central Science)
該實驗證明,SMPs 這種高性能形狀記憶聚合物的能量密度可以達到 17.9 J/g,其形狀固定度和回收率均超過 90%。SMPs 具備成本低、可溶性較好和密度小等特性,與 PPG-MPU 記憶特性及高能密度相結(jié)合,揭示了應變誘導超分子結(jié)構(gòu)在高能量密度單向形狀記憶聚合物的巨大應用潛力。
來源:麻省理工科技評論


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