受蜘蛛丝启发的自愈和抗裂水凝胶超细纤维

近年来，材料科学家一直在创造具有各种有利性能的新材料，可以提高不同技术和设备的性能。这包括基于水凝胶的纤维和人造皮肤，它们可以帮助制造柔软的人形机器人，假肢，甚至舒适的智能衣服或可穿戴设备。

中国东华大学的研究人员最近创造了一种新的基于水凝胶的微纤维，这种微纤维坚固、可自我修复和抗裂。这些微纤维在Nature Communications中介绍，是使用受蜘蛛如何织网启发的工艺制造的。

“我们注意到，尽管已经合成了大量的合成水凝胶纤维来模仿蚕丝，肌肉和神经纤维等生物纤维的基本功能，但它们中的大多数具有非常差的抗损伤性，这极大地限制了它们的耐用性，”进行这项研究的研究人员之一Sun胜通告诉Tech Xplore。“这可以通过学习蜘蛛丝的结构来解决，这几乎代表了已知天然生物材料的韧性极限。

蜘蛛从水性涂料中旋转非常坚固的丝网，这是一种液晶溶液，蛋白质分子可以在其中自由移动，同时保持一定程度的秩序。他们创造的网遵循具有有利机械性能的分层纳米约束结构。

“我们设想吸湿性，带正电荷的聚电解质(PDMAEA-Q)和聚甲基丙烯酸(PMAA)的离子络合物可能是生产耐损伤水凝胶纤维的理想系统。孙旭东解释道。“在形成的纤维中，PMAA将形成嵌入离子配合物软基质中的强氢键簇。从理论上讲，这可以模仿蜘蛛丝的纳米受限结构，以提高机械性能。

研究人员的水凝胶微纤维是在环境条件下生产的，就像蜘蛛织网一样。他们使用一种称为拉挤纺丝的技术从含有PMAA和PDMAEA-Q的水溶液中形成纤维。

“PMAA链(H键簇)的自发纳米约束在水蒸发过程中自然发生，作为嵌入软PDMAEA-Q / PMAA基质中的分离纳米相，”Sun说。“这种分层纳米约束赋予水凝胶微纤维具有非常高的机械性能。例如，水凝胶纤维相当坚固，杨氏模量高达428 MPa，伸长率为219%。

在初步评估中，研究人员创造的微纤维表现出非常有前途的特性。例如，它们被发现具有高阻尼能力和抗裂性，以及对水分的高度敏感性，使它们能够收缩，保持特定的形状，并在损坏时迅速“自我修复”。

“一般来说，高机械性能需要强大的共价键，而快速修复能力需要高度动态的网络，这本质上是矛盾的，”孙说。“我们通过采用蜘蛛丝状纳米约束结构来解决这个问题。重要的是，这种分层结构在水蒸发过程中自发形成，避免了进一步处理的繁琐和能源成本步骤。

这组研究人员最近的工作可能很快就会激发其他基于纳米约束结构和类似纺丝工艺的高性能纤维材料的生产。此外，他们创造的蜘蛛丝启发的水凝胶微纤维很快就会在现实世界中应用和评估，例如作为假肢或可穿戴设备的致动纤维。

“我们已经证明，具有纳米限制结构的水凝胶纤维可以显示出非常好的性能，但纤维的韧性还不能与真正的蜘蛛丝相提并论，”Sun补充道。“未来，我们将尝试引入更强大的纳米晶体作为纳米限制，以进一步提高水凝胶纤维的机械性能。

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