Degradable Poly(vinyl alcohol)-Based Supramolecular Plastics with High Mechanical Strength in a Watery Environment

第一单位：吉林大学

通讯作者：孙俊奇

全球每年有超过一亿吨的塑料垃圾被丢弃，造成严重的环境污染，而解决塑料垃圾堆积问题最有效的途径是采用可在自然环境中完全降解为环保物质的新型塑料来替代传统塑料。

在自然环境中，聚乙烯醇（PVA）能被微生物完全降解为CO2和H2O。因此环保可降解的聚乙烯醇基塑料具有广泛的潜在应用前景，然而由于PVA的水溶性，这些PVA基塑料从环境中吸收水，在水中表现出较低的机械强度。

图1. VPVA-HA-Fe超分子塑料的制备示意图以及化学机构图

图1a为PVA基超分子塑料的制备过程。疏水腐植酸（HA）纳米颗粒在DMSO溶液中与VPVA形成氢键。加入Fe3+离子后，HA纳米粒子与Fe3+离子通过配位作用交联，在VPVA-HA-Fe配合物中形成聚集的HA纳米粒子。TEM图像也显示，VPVA-HA-Fe塑料中存在平均粒径约为41.2 nm的纳米颗粒（图1b）。DMSO蒸发后，得到分散良好的Fe3+螯合HA纳米颗粒的VPVA-HA-Fe塑料(图1c)。

图2.材料力学性质

如图2b所示，厚度为110 μm，宽度为25px的VPVA-HA-Fe塑料条的可承受10kg的重量而无损伤，具有较高的承载能力。如图2c所示，在空气湿度为75%和100%下，VPVA-HA-Fe塑料的断裂强度分别为50.5 MPa和44.8 MPa。这些数值高于传统的PE塑料，其断裂强度一般在15~30 MPa之间。在室温浸水12 h后，高度水化的VPVA-HA-Fe塑料仍保持26.2 MPa的良好断裂强度(图2d)。在水中浸泡7 d后，断裂强度并没有随着浸泡时间的增加而降低，证实了VPVA-HA-Fe塑料在水中具有较高的机械强度。

图3.采用VPVA-HA-Fe塑料制备塑料袋

焊接后的塑料条可以承受10kg的重量而不断裂，拉伸试验证实，焊接后的VPVA-HA-Fe塑料与原始塑料具有相似的力学性能(图3b)。在水中浸泡7天，VPVA-HA-Fe塑料袋可以承受2公斤的重量而不会受到任何损伤(图3e)。

图4. VPVA-HA-Fe塑料在土壤中的降解。

如图4a所示，随着埋在土中时间的增加，VPVA-HA-Fe塑料的质量不断下降。埋入108 d后，VPVA-HA-Fe塑料完全降解。聚乙烯醇的降解导致了VPVA-HA-Fe塑料的完全降解。如图4c所示VPVA-HA-Fe塑料埋入土壤后，逐渐从土壤中吸收水分，部分破坏了塑料内部的氢键和配位作用，导致塑料膨胀。土壤中的微生物粘附在塑料表面，并分泌脱氢酶、氧化酶、水解酶和醛缩酶等。香兰素是在土壤中Fe3+、Ca2+、Al3+等Lewis酸的催化下由VPVA链水解而成的。脱氢酶和氧化酶可将PVA的脂肪族羟基氧化成二酮基，水解酶和醛缩酶可催化二酮的碳碳键的裂解。最后，将VPVA-HA-Fe塑料被降解成环境友好的HA纳米颗粒和小分子如香兰素或香兰素衍生物、二氧化碳和水。

 

Enhanced mechanical energy conversion with selectively decayed wood

http://advances.sciencemag.org/content/7/11/eabd9138

木材是一种优秀的绿色建筑材料，由于其压电性，可以直接将机械能转化为电能。虽然这种现象早在几十年前就被发现了，但由于天然木材固有的坚固性，本身的变形能力有限，因此其压电模量低，从而导致其电输出功率低，这种能源的开发受到了阻碍。本文证明，通过简单、绿色、可持续的真菌腐烂预处理，增强巴尔沙木的弹性压缩性，压电输出增加了55倍以上。单个立方体(15 mm × 15 mm × 13.2 mm)的腐朽木材在45 KPa的应力下能产生0.87 V的最大电压和13.3 nA的电流。这项研究是为未来能源供应和减缓气候变化开发下一代自供电绿色建筑材料的重要一步。

      

A Bioinspired Elastic Hydrogel for Solar-Driven Water Purification

https://doi.org/10.1002/adma.202007833

受大自然的启发，一种太阳能吸收凝胶(SAG)被开发出来，只用自然阳光从受污染的水源中净化水。SAG由弹性热敏聚(n -异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)水凝胶、光热聚多巴胺(PDA)层和海藻酸钠(SA)网络组成。SAG生产简便;所有的加工过程都是在室温下进行的。值得注意的是，SAG可以从含有小分子、油、金属和病原体的各种有害水库中净化水，只需要使用阳光。SAG依靠太阳能在较低的临界溶液温度下驱动亲水/疏水相变。在阳光下，水的净化率为7.18 kg m h,该技术是可扩展和模块化的，可以用于净化各种来源的水。由于净化机制不需要水蒸发，这是一个能源密集型过程，被动式太阳能水净化率是最高的报道。这一发现对于清洁水的可持续生产、改善人类生活质量具有革命性意义。

DOI: 10.1002/adma.201905761
尽管生物仿生粘合剂最近取得了进展，但在水和血液环境中实现强大的粘合和密封止血是具有挑战性的。基于多乙烯基单体与多巴胺的Michael加成反应，设计合成了一种具有疏水主链和亲水性邻苯二酚侧枝的超支化聚合物(HBP)。结果表明，疏水链与水接触后迅速凝聚，取代表面的水分子，引发邻苯二酚基团暴露增加，从而在不使用任何氧化剂的情况下，在去离子水、海水、PBS和大范围的pH溶液(pH=3~11)等各种环境中，从低表面能到高能，迅速与各种材料形成强大的粘附力。结果表明，疏水链会迅速凝聚形成凝聚，取代附着表面的水分子，引发邻苯二酚基团的暴露，从而在去离子水、海水、PBS和大范围的pH溶液(pH=3~11)中迅速与多种材料粘合。此外，这种HBP粘合剂(HBPA)对骨折的骨骼表现出强大的粘附性，排除了表面能量和机械性能不匹配的问题。HBPA的粘附性在潮湿条件下是可重复的。有趣的是，HBPA能够粘合具有不同性质的不同材料。重要的是，在这种模块化的超支化结构中引入长烷基胺有助于形成一种可注射的止血密封剂，可以迅速止住内脏出血，特别是深伤口出血。

Barnacle Cement Proteins-Inspired Tough Hydrogels with Robust, Long-Lasting, and Repeatable Underwater Adhesion

 

DOI: 10.1002/adfm.202009334

 

开发能够在水下各种表面实现坚固和可重复粘附的粘合剂是很有前途的，但这仍然是一个重大挑战，主要是因为表面水化层削弱了界面分子之间的相互作用。在此，提出了一种开发坚韧的水凝胶的策略，这种水凝胶坚固耐用，可重复使用，可长期用于水下黏附。从藤壶水泥蛋白中残留的氨基酸出发，合成了具有芳香性的阳离子和芳香族单体水凝胶。由于链间π-π和阳离子-π相互作用，水凝胶具有较强的力学强度和韧性(弹性模量为0.35 MPa，断裂应力为1.0 MPa，断裂应变为720%)。

在水中，水凝胶通过界面静电和疏水相互作用(粘附强度为180kPa)牢固地粘附在不同的表面上，从而实现瞬间粘附和可逆性(50倍)。此外，该水凝胶在水中具有长达数月(100天)的粘附性。新型粘附性水凝胶可用于许多应用，包括水下转移、水基设备、水下修复和水下软机器人。

Biomimetic colloidal photonic crystals by coassembly of polystyrene nanoparticles and graphene quantum dots

DOI：10.1039/c8ra07158f

单位：Texas A&M University

通讯作者：成正东

具有彩色染色纳米结构颜色的材料在光子器件、材料科学和生物医学工程中具有极大的潜力，引起了广泛关注。然而，人造光子晶体（PC）的技术应用的一大阻碍是其较低的颜色可见性。通过将硫代甘油修饰的石墨烯量子点(GQDs)共组装到聚苯乙烯(PS)纳米球的紧密堆积阵列中，胶体PCs具有较强的颜色可见性，而离心沉降法和滴铸法可以较为简便地制备增强型聚苯乙烯聚碳酸酯，所得光子晶体的颜色可见度强烈依赖于水热时间(即碳化)和量子点的掺杂浓度。通过控制聚苯乙烯纳米粒子的尺寸，能获得具有红、绿、蓝(RGB)区域的明亮反射色的聚碳酸酯。光子墨水的应用广泛，可大量在多种基底(包括纸张、硅片和玻璃)上获得具有RGB颜色的光子图像，这有望为新兴的高级光子晶体的发展提供新的见解，这些光子晶体在胶态涂料、纺织品和可穿戴显示器等应用中均具有高颜色可见度。

 

GO film on flexible substrate: An approach to wearable colorimetric humidity sensor

DOI：10.1016/j.dyepig.2020.108916

单位：新加坡创新科技署材料研究与工程研究所

通讯作者：Fuke Wang

石墨烯和氧化石墨烯（GO）具有突出的电学和光学性质，这使其在气体传感领域引起了关注。采用浸涂技术制备了基于不同基底氧化石墨烯薄膜的比色湿度传感器，并且对影响湿度响应的制作条件进行了系统的研究和优化。结果表明，如果由水分散体制成金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯(mPET)薄膜上的GO薄膜，显示出较差的分辨率和灵敏度；如果它是由丙酮分散体制成的，那么在多光子发射光谱仪上GO薄膜的光谱分辨率和反射颜色都得到了一定程度的提高，一般认为是溶剂润湿性导致的结果，这有助于XRD分析，从而得到均匀GO片组件的d-间距。在mPET上形成的GO薄膜的弯曲测试显示了在10，000次弯曲循环时的极端光谱稳定性，表明该装置非常适合于在个人生理状况监测和环境状况变化检测中的灵活装置应用。

 

  

High-performance zero-standby-power-consumption-under-bending pressure sensors for artificial reflex arc

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104743

 

在这里，展示了一种高性能，通过引入可调光致抗蚀剂隔离层（PS），将其置于顶部截断的锥体微结构聚二甲基硅氧烷（PDMS）/掺铝的氧化锌（AZO）和底部的聚酰亚胺（PI）/金之间来实现零待机功耗的柔性压力传感器（PS） Au）叉指电极（PDMS-AZO / PS / PI-Au）。制成的压力传感器在小于20.5°的弯曲角度下具有弯曲不敏感和零功耗的优点，这得益于PS的绝缘效果。所制作的传感器在62 Pa-9.6 kPa的超宽线性响应范围内表现出2200 kPa^-1的超高灵敏度和快速响应和恢复时间(<20 ms)。此外，根据有限元建模（FEM），事实证明，顶部和底部微结构的引入可提供多个接触阶段（例如，点接触，点饱和和表面饱和），并进一步扩大了接触面积，从而实现了超高灵敏度和宽泛的接触范围。线性响应范围，得到实验结果的有力支持。作为概念证明，人造体反射弧已成功集成到志愿者中，以调节LED照明的亮度和数量。我们相信，我们的高性能压力传感器在各种实际的基于柔性矩阵的场景中具有广阔的应用前景。

 

 

 

Effect of a Microstructured Dielectric Layer on a Bending-Insensitive Capacitive-Type Touch Sensor with Shielding

https://doi.org/10.1021/acsaelm.0c00015

 

本文针对柔性机器人应用提出了一种对弯曲不敏感的电容式触摸传感器。对于软机器人应用，必须满足几个要求。首先，在目标曲率半径（ROC）级别内，根据弯曲的初始值和灵敏度变化应足够小。因为电容型触摸传感器的信号的变化取决于所述顶部和底部电极（Δ之间的距离变化d），一个设计最小化Δ d根据弯曲是重要的，为了设置目标ROC，首先，制造一个软机器人手指来测量最大弯曲范围。基于ROC相似的软机器人手指的比例相似的假设，最小弯曲范围设置为15 mm。但是，根据软机器人的设计和尺寸，弯曲范围可能会更小。因此，对4mm的ROC进行了弯曲测试。其次，因为电容式触摸传感器受到寄生电容的影响，与物体直接接触的表面必须被屏蔽，以便在相同的力下出现相同幅度的信号，无论检测到的材料类型是什么。第三，应测量相对较宽的压力范围（高达数百kPa），以适应各种驱动条件下的执行器，并且灵敏度应根据应用情况进行调整。

弯曲不敏感的电容式触摸传感器在软机器人应用中的潜力已得到成功确认。该传感器由一个可拉伸的顶部电极，一个FPCB底部电极以及介于两者之间的微结构介电层组成。在这项研究中，可伸展的顶部电极对于屏蔽至关重要，因为电容型触摸传感器会受到寄生电容的影响。在弯曲期间，通过数学建模和基于两个角度的弯曲测试来分析电容变化。第一视角涉及对顶部电极的拉伸或压缩的影响，第二视角涉及在弯曲期间在结构之间发生的顶部电极和底部电极之间的相对距离变化。分析是在向外和向内的方向上进行的。分析了两个方向上的性能差异。根据该分析，可以确认出因向外侧弯曲而引起的初始值的变化小于因向内侧弯曲而引起的初始值的变化。制成的传感器可以测量各种压力（最高700 kPa），灵敏度约为0.14 MPa –1。可以根据应用通过几乎不改变弯曲期间的初始值来控制灵敏度。最后，我们的研究表明，传感器的概念可以成功地应用于软机器人应用。

 

Wearable, Ultrawide-Range, and Bending-Insensitive Pressure Sensor Based on Carbon Nanotube Network-Coated Porous Elastomer Sponges for Human Interface and Healthcare Devices

https://doi.org/10.1021/acsami.9b07636

在本文中，我们介绍了一种超宽范围，弯曲不敏感且柔性的电阻式压力传感器，该传感器基于CNT网络涂层的薄多孔PDMS海绵（CCPPS），集成了两个用于人机接口设备的底部电极。为了研究其在实际应用中的适用性，在静态和动态条件下评估了基于CCPPS的压力传感器的压力传感性能。基于CCPPS的压力传感器表现出从10 Pa到1.2 MPa的超宽压力感测范围，同时保持了良好的灵敏度而不会由于连续产生电气路径而产生显着的退化，即使在较大的压缩水平下，由于连续堆叠的CNT涂覆的微孔之间也存在接触的电通路而不断产生（约80％）。CCPPS内的微孔具有可逆，即时和强大的闭合/打开性能，从而导致低磁滞现象，良好的动态响应以及压力传感器的长期可靠性。此外，基于CCPPS的压力传感器还表现出对弯曲不敏感的压力感应功能，即使在弯曲或动态表面上，也可以准确检测正常压力。据我们所知，这是对纳米材料涂层的多孔海绵基压力传感器在各种弯曲条件下的性能的首次研究。最后，演示了基于CCPPS的柔性压力传感器用于柔性钢琴垫和柔性脚垫的实用性。