作者:崔雪芹 来源: 中国科学报 发布时间:2021/5/13 8:54:09
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看我“七十二变” 又自带“返回键”

 

高超课题组在实验室进行讨论。

■本报记者 崔雪芹

对于普通材料来说,两个物体一旦融合就难以复原,即便分开也不再是原来的两个物体。然而,经过4年的研究,浙江大学高分子科学与工程学系教授高超课题组发现,氧化石墨烯片具有适应性形变的能力,氧化石墨烯纤维在宏观尺度上能够在融合之后实现精确可逆的分裂,好比是自带了“返回键”。这项成果将对未来精确可逆的组装产生积极影响。这项成果近日发表于《科学》。

高超告诉《中国科学报》,相比已有的研究,课题组此次完成的氧化石墨烯基纤维精确可逆的融合—分裂过程是可控的,而且材料尺寸大,对于固体在可逆组装过程中界面的独特现象、材料的有效回收和重复利用等方面具有启发意义。

精确可逆,就像七十二变般自如

现实生活中,每一个固体单元都有自己的特定形状和尺寸,多个固体融合在一起组装成一个整体不难,但是结合越紧密往往分离就越难,因此无法通过分离再另外组装成别的形式的整体。

早前,科学家从细胞的融合与分裂中获得灵感,仿生设计了功能性的组装体,比如聚合物囊泡在光或热的刺激下,能够实现融合或实现融合与分裂,希望可以应用在药物的递送与释放等领域,但是在融合与分裂的“可逆”这一环节遇到了阻碍。

而高超课题组却发现,氧化石墨烯纤维挑战了人们的一般认知,能够在厘米级的宏观尺度下,变形组装并且解组装复原。他们将13500根氧化石墨烯纤维做成的一根刚性柱子,变成一张节点融合的柔性网,把实验过程颠倒过来后,网又重新变回了柱子。

这个过程当中,组成柱子和网的氧化石墨烯纤维并没有发生变化。“通过特定的处理方式,氧化石墨烯纤维融合得到的固体材料可以像孙悟空那样,七十二变后再变回原本的样子。也就是说,我们这项研究实现了氧化石墨烯宏观固体材料精确可逆的组装。”高超说。

可逆奥秘,适应性形变好比“返回键”

为什么氧化石墨烯能做到精确可逆?这与材料本身的特性有关。高超课题组一直致力于石墨烯宏观组装的研究。早在2016年,课题组就发现,二维的氧化石墨烯片具有适应性形变的特点,可以完成融合。之前他们就利用氧化石墨烯纤维的溶胀融合成了无纺布。

那么,氧化石墨烯纤维融合后还能再分裂吗?课题组继续研究发现,氧化石墨烯自身带有特殊的性质,即二维拓扑、丰富的含氧官能团、超柔性、自黏接,多根氧化石墨烯纤维融合后的粗纤维密度大、孔隙率少、界面结合适中。“这就使得材料的亲和力刚刚好,很容易融合到一起,但结合力又不像钢那样强,所以还能分得开。”高超说。

实验中,课题组先把13500根氧化石墨烯纤维融合成一根直径1.2毫米的细长黑柱子,这些黑柱子可以承受680倍自身重量的力,然后把黑柱子放到水溶剂中解离再分裂,这时粗柱子就变成13500条纤维。论文第一作者、浙江大学高分子系的畅丹说:“这个过程中,氧化石墨烯的体积膨胀率达到了近40倍,提供了充分的表面形变的空间。”

在溶剂中纤维变软了,就可以拿出来编织成节点融合的网,而且这张网仍然保持了一定强度,上面放辆玩具车完全没有问题。也就是说,这些纤维再融合之后依然能作为功能材料来使用。

在复原环节,课题组把这张网再放回水溶剂,网重新分解成13500条纤维,捞出来之后它们会自动融合在一起,最终又变回了之前的柱子形状。

那怎么证明这13500条纤维还是原先的那13500条纤维呢?课题组通过荧光染料及硅纳米颗粒彩色标记的方式,证明了每一条纤维的内在结构确实“我是我”“他是他”,纤维里面的成分没有在多次融合—分裂后互相“串门”。

穿上“马甲”,其他材料也能变

神奇的还不止这些。氧化石墨烯纤维的这种特殊属性还能应用到别的材料上。

课题组在研究中发现,如果在尼龙、蚕丝、不锈钢丝、玻璃纤维等有机高分子、天然高分子、金属、无机非金属纤维的表面涂上一层氧化石墨烯,原有的这些普通材料也能够具有“组装—精确还原”的功能。

论文评审专家认为:“该工作代表着可回收及智能纤维材料领域的一个突破。结果具有科学价值,可能引发多个研究领域的兴趣。”

就此工作,日本长野大学的Rodolfo Cruz-Silva和美国宾汉顿大学的Ana Laura Elías在同期《科学》发文进行了评论。

相关论文信息:

http://doi.org/10.1126/science.abb6640

《中国科学报》 (2021-05-13 第1版 要闻)
 
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