自然界的生命体存在一种独特的技能，他们可以根据自身所处的环境状态及变化可自我调控组织的机械刚度，如海参在受到外界刺激时可以本能地将自身组织刚度从5 MPa提升至50 MPa，这种看似简单的生命本能行为对于人工合成材料而言却是很难获取与拥有。

近年来，借鉴自然智慧，人们通过构建水-离子双调控的氢键拓扑网络（实现可逆的图灵形貌）、添加过冷盐、引入热因子等方法合成了一些刚度可切换材料，但想要开发一种材料，具有极端的机械性能可逆切换性（不出现过早失效），拥有与生物体相仿的损伤自我修复性能，同时兼具大尺度加工可扩展等特性，这依然是一个巨大挑战。

图1 离子-水双调控的氢键拓扑结构及图灵形貌构建（Matter 2020, 2, 390-403）

 

近日，我校能源与化工产业技术研究院（产研院）许光文教授团队联合东北林业大学于海鹏教授等研究者，以沈阳化工大学为第一完成单位在国际顶级期刊Advanced Materials （IF：30.849）杂志上发表研究论文A Stiffness-Switchable, Biomimetic Smart Material Enabled by Supramolecular Reconfiguration，报道了一种新型功能材料，弥补了以上不足与缺陷。他们利用纤维素分子（Cel）及聚丙烯酰胺分子（PAAm）在乙醇刺激下的差异性表达，构建出一种动态可切换的超分子构型网络，成功开发了一种机械性能可动态切换的智能材料（Cel-PAAm）。

图2 可逆的超分子构型策略及开发的智能Cel-PAAm材料（Advanced Materials，2107857）

该智能Cel-PAAm材料可以在软-硬两种极端状态下进行可逆的动态切换，且在外界刺激的增强状态下，Cel-PAAm材料展现出诸多优越的机械性能行为，如强悍的类金属刚性特性，刚度值可达243.6 MPa，是软状态下的470倍之多；卓越的承载能力（可以承受超过其自身重量的35000倍的物体）；优异的抗刺穿性能，比抗穿刺吸收能为704.9 ± 43.6 J m⁻¹ (g cm⁻³)⁻¹,优于常规的硬材料如玻璃、木材及高密度聚乙烯毡，其强度值甚至是铝板的2倍之多（269.8 ± 17.5 J m⁻¹ (g cm⁻³)⁻¹）；极好的抗冲击性能，比冲击强度可达116 kJ m⁻²(g cm⁻³)⁻¹，优于一些金属及合金材料，甚至可与商用的防护材料如D3O和Kevlar（凯夫拉）相媲美。

图3 Cel-PAAm材料展现出卓越的机械性能（Advanced Materials，2107857）

 

此外，Cel-PAAm材料具有的可逆超分子构型网络，使其展现出优异的软-硬动态可切换性能的同时，还使其拥有独特的加工可设计性、循环可利用性（回收再利用的材料性能依旧如初）及类生命体的自我修复性能（破损之后性能可以自我恢复）。使得开发的Cel-PAAm材料在智能机器人、可植入医疗电子、增材制造及智能防护等领域展现出巨大应用潜力。

图4 加工可设计性、循环利用及自愈合性能（Advanced Materials，2107857）

 

论文信息：

https://onlinelibrarywiley.fenshishang.com/doi/abs/10.1002/adma.202107857