不列颠哥伦比亚大学姜锋教授团队最新AFM:葡萄糖--天然添加剂助力高性能凝胶制备

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水凝胶作为当前最火热的材料之一,一直在各种应用领域受尽青睐。但其过高的自由水含量,让它的性能和应用场景都受到了限制。最近不列颠哥伦比亚大学姜锋(Feng Jiang)教授团队使用了生活中随处可见的葡萄糖成功解决了这些问题,并命名为“糖析法”,为目前主流的盐析法制备高强度凝胶提供了一个补充。此团队发现,葡萄糖的添加不仅有助于促进水凝胶网络的氢键和分子间相互作用,还能够将一部分自由水转化为结合水,赋予水凝胶出色的环境适应性。考虑其良好的力学,环境稳定性, 以及导电性,这种糖析法制备的水凝胶被制备成多功能传感器,在软机器人领域展现出巨大的前景。此外,在使用乙醇溶剂处理后,其凝胶表现出优异的光敏机械传感性能。此文作者通过机器学习模型建立了干涉色和力学拉伸精准的模型,为之后制备光敏机械传感器奠定了基础。值得一提的是,所有这些优秀特性都是通过添加绿色环保的葡萄糖实现的,无任何对健康和环境的负面影响。此论文以“Ultra-Stretchable and Environmentally Resilient Hydrogels Via Sugaring-Out Strategy for Soft Robotics Sensing”发表于 < Advanced Functional Materials>, 其第一作者为 Yuhang Ye博士,目前为宾夕法尼亚大学博士后研究员。



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图1. 概念设计与假设验证。a) 材料设计策略的示意图;b) 分子动力学模拟快照,显示三种不同的水凝胶组成;c) 通过分子动力学模拟计算的氢键数量;d) 具有不同葡萄糖含量的PAM和PAM-G水凝胶的FTIR光谱;e) 具有不同葡萄糖含量的PAM和PAM-G水凝胶的放大1H NMR光谱;f) 具有不同葡萄糖含量的PAM和PAM-G水凝胶的DSC曲线;g) 具有不同葡萄糖含量的水/葡萄糖溶液的1H NMR光谱
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图二. 在零下温度、环境条件和冻干条件下的环境耐受性。a) 具有不同葡萄糖含量的PAM-G水凝胶的离子导电性;b) 在25°C和−5°C下,PAM-G水凝胶(40 wt%)的离子导电性;c) 使用PAM-G(40%)水凝胶作为电路的一部分,LED灯的照明在25°C和−5°C的数字照片展示。d–f) 在环境条件下暴露24小时后,PAM和PAM-G水凝胶的剩余重量、机械性能和离子导电性的变化;g–i) 在冻干条件下暴露48小时后,PAM和PAM-G水凝胶的剩余重量、机械性能和离子导电性的变化。
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图三。溶剂抵抗性差和大分子构象变化引起的干扰色。a) 在与乙醇交换后,PAM-G水凝胶的外观变化;b) 经乙醇处理后的PAM和PAM-G醇凝胶的机械性能;c) 示意图说明了溶剂差诱导的相分离过程;d) 在交叉偏振器下,不同应变下PAM-G醇凝胶的颜色变化;e-g) 机器学习模型,用于建立CIE X、Y值与指定误差条和相应应变之间的连续关系。
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图四。多功能软机器人传感器的应用。a) 气动软驱动器的工作机制以及PAM-G水凝胶集成用于感知弯曲角度和接触力;b) 基于PAM-G水凝胶的应变传感器在软驱动器中对变化的施加压力的阻变;c) 压力、弯曲角度和相对阻变之间的相关性;d) 基于PAM-G水凝胶的压力传感器在软驱动器中对施加压力的阻变;e) 压力、力和相对阻变之间的相关性;f) 数字照片展示软抓手的构造和动作;g) 使用软抓手抓取不同物体,并通过基于PAM-G水凝胶的多功能传感器监测抓取过程;h) 软驱动器伸展的工作机制的数字照片和示意图;i) 在软驱动器伸展过程中,基于PAM-G水凝胶的应变传感器的阻变;j) 软驱动器伸展过程中压力、伸展和相对阻变之间的相关性。
不列颠哥伦比亚大学Feng Jiang教授团队一直致力于制备高性能纳米纤维素的凝胶,近年来已在此领域发表过多篇重要工作。
纤维素基离子导体综述,
Chemical Reviews 2024,123 (15), 9204-9264
糖析法制备水凝胶,
Adv. Funct. Mater.2024, 2315184
全纤维素基水凝胶胶黏剂,
The Innovation Materials, 2024, 1 (3), 100040
仿生环境响应性异质结构水凝胶,
Mater. Horiz., 2023, 10, 2667-2676
用于离子皮肤的高环境稳定性离子凝胶,
Adv. Funct. Mater.2023, 33, 2209787
界面工程制备的液态金属水凝胶,
Nano Energy 2022,99, 107374
绿色方法制备纤维素基水凝胶,
Adv. Funct. Mater.2022,32,2202533
纳米纤维素本征性能对于水凝胶性质的提高
Adv. Funct. Mater.2020, 30, 200343
来源:高分子科学前沿




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