【文献总结】2021.5.31-组内动态-仿生智能材料研究组  
【文献总结】2021.5.31
chengchaoyi 4月前 477

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  • 安雪 4月前
    引用 2

    泊松比 =ε)定义了横向应变)与纵向应变)的负比。气凝胶材料的变形力学,特别是泊松比行为对应力应变分布、材料强度、动态响应和损伤容限至关重要材料的泊松比可以通过孔结构的模式设计来调整。如果材料的变形保持弹性,则泊松比完全由孔隙结构控制负泊松比材料在纵向压缩作用下,横向收缩形成双曲面结构,可以更好地用于防弹衣、减震器、包装材料等抗压痕性较高的防护对象。Zhang通过改进的水热方法和定向冷冻铸造工艺合成了具有有序双曲模式和分层蜂窝状微观结构支架的石墨烯材料。微结构中多层石墨烯胞壁的设计局部取向屈曲响应产生了巨大的宏观负泊松比(ν = -0.38,可通过调整可调结构孔隙度或有效容积密度调节泊松比大小。还通过扫描电镜原位观察纵向压缩过程中石墨烯材料的微观结构演变,研究了石墨烯材料的负泊松比和压缩应变映射机制。

     

    泊松比可调的组织工程支架能够更好地模拟自然组织的力学行为。Tang等以纤维素纳米纤维(CNF)和聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)为原料,通过立体光刻(SLA)和冷冻干燥相结合的方法制备了具有多尺度孔结构的CNF/PEGDA气凝胶。制备的气凝胶具有规则的大孔网络结构和随机均匀的微孔分布。通过SLA可以定制支架的大孔结构,从而使支架呈现出三种不同的力学行为:正泊松比、负泊松比或零泊松比。然后通过冷冻干燥的方法将水凝胶支架转化为气凝胶支架,使其微孔分布均匀。调整材料配比和暴露量,获得孔隙结构清晰的支架。此外,对不同泊松比的CNF/PEGDA支架进行力学试验,测定其软骨诱导特性。

     

    Wu等制备了一种石墨烯海绵材料这些密度与空气相似的石墨烯海绵在可逆压缩到巨大应变时,其在各个方向上的泊松比都接近于零,且很大程度上不依赖于应变。同时,它们还起着焓橡胶的作用,在空气中可以恢复98%的压缩率,在液体中可以恢复90%的压缩率,工作温度在-196900之间。此外,这些海绵在数百个循环中提供可逆的液体吸收,然后在几秒钟内将其排出,同时仍然提供有效的接近零的泊松比


    负泊松比的结构由于其有趣的物理性质、众多有前途的应用以及在制造技术方面的进步而越来越受到关注。然而,制造具有定制的分层多孔结构和理想的物理/机械性能的三维(3D)聚合物辅助结构仍然具有挑战性。Cheng通过直接油墨书写和冷冻铸造与无毒的溶剂型油墨相结合,然后采用特殊的干燥技术,设计和制造了具有多尺度孔隙率的3D纳米纤维凯夫拉气凝胶结构。通过调整设计的图案支柱的空间排列,高度多孔的3D纳米纤维凯夫拉尔气凝胶泊松比可调范围广泛,-0.80.4 


    [1] Xu X, Zhang Q Q, Yu Y, et al. Naturally Dried Graphene Aerogels with Superelasticity and Tunable Poisson's Ratio. Advanced Materials, 2016, 28(41):9223-9230.

    [2] Soman P, Lee J W, Phadke A, et al. Spatial tuning of negative and positive Poisson’s ratio in a multi-layer scaffold. Acta Biomater, 2012, 8:2587-2594.

    [3] Zhang Q, Xu X, Lin D, et al. Hyperbolically Patterned 3D Graphene Metamaterial with Negative Poisson's Ratio and Superelasticity. Advanced Materials, 2016, 28(11):2229-2237.

    [4] Tang A M, Ji J, Li J, et al. Nanocellulose/PEGDA Aerogels with Tunable Poisson's Ratio Fabricated by Stereolithography for Mouse Bone Marrow Mesenchymal Stem Cell Culture. Nanomaterials, 2021, 11(3):603.

    [5] Wu Y, Yi N, Huang L, et al. Three-dimensionally bonded spongy graphene material with super compressive elasticity and near-zero Poisson's ratio. Nature Communications, 2015, 6:6141.

    [6] Cheng Q,  Liu Y,  Jing L, et al. 3D printing-directed auxetic Kevlar aerogel architectures with multiple functionalization options. Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8.


  • 引用 3


     

    Heterogeneous integration of rigid, soft, and liquid materials for self-healable, recyclable, and reconfigurable wearable electronics

    https://advances.sciencemag.org/content/6/45/eabd0202?rss=1

    电子产品的大规模生产和应用会产生大量的电子垃圾,到 2021 年,预计电力废物总量将达到 5220 万吨,而且大部分废物无法得到适当回收,其后果是大量重金属等有害物质进入生态系统,造成严重的环境问题和人类健康问题。为了解决这个问题,已经开发出动态共价热固性聚亚胺,它不仅可以自修复/可重新修复,还可以回收。这篇文章报告了一种多功能可穿戴电子系统,它可以同时提供完全可回收性、优异的机械拉伸性、自愈性和基于改性聚亚胺化学的可重构性。这种可穿戴电子产品是通过先进的机械设计和低成本制造方法将刚性(芯片组件)、软(动态共价热固性聚亚胺与新配方)和液体(LM)材料异质集成而实现的。在这种可穿戴电子系统中,现成的芯片组件可提供对人体的高性能感测和监视,包括物理运动跟踪,温度监视以及声学和心电图(ECG)信号的感测。它们通过可拉伸且坚固的 LM 电路互连,并由动态共价热固性聚亚胺基质封装。聚亚胺网络中的键交换反应,加上 LM 的流动性,使可穿戴电子设备能够从损坏中自愈,并针对不同的应用场景重新配置成不同的配置。此外,通过转亚胺反应,可以将聚亚胺基体解聚成可溶于甲醇的低聚物/单体,并与芯片组件和LM分离。所有回收材料和组件都可以重复使用来制造新材料和设备。使可穿戴电子设备能够从损坏中自愈,并针对不同的应用场景重新配置为不同的配置。此外,通过转亚胺反应,可以将聚亚胺基体解聚成可溶于甲醇的低聚物/单体,并与芯片组件和LM分离。所有回收材料和组件都可以重复使用来制造新材料和设备。使可穿戴电子设备能够从损坏中自愈,并针对不同的应用场景重新配置为不同的配置。此外,通过转亚胺反应,可以将聚亚胺基体解聚成可溶于甲醇的低聚物/单体,并与芯片组件和LM分离。所有回收材料和组件都可以重复使用来制造新材料和设备。

     

     

    Nanomesh pressure sensor for monitoring finger manipulation without sensory interference

    https://science.sciencemag.org/content/370/6519/966?rss=1

     

    在不干扰固有功能的情况下监控手指操作对于理解自然触感至关重要。然而,磨损或连接的传感器会影响皮肤的自然感觉。我们开发了纳米网状压力传感器,可以监测手指压力,而不会对人的感觉产生可察觉的影响。传感器对人类感觉的影响进行了定量研究,应用传感器的手指表现出与裸手指相当的握力,即使2微米厚的聚合物薄膜的附着导致14%的增加调整摩擦后的握力。同时,该传感器对超过数百千帕的循环剪切和摩擦表现出极高的机械耐用性。然而,挑战在于在不失去任何触感的情况下监控手指触摸。覆盖人的手指与任何对象,甚至是超薄层,导致自然的触感的显着降解,影响感觉信息和扭曲固有控制。该研究使用直接连接到高灵敏度指尖的传感器来监测力。为了最大限度地减少感官干扰,我们开发了由顺应性纳米多孔结构组成的超薄纳米网传感器。1AB分别显示了指尖压力传感器的光学图像和形成在聚酰亚胺薄膜上的传感器的横截面扫描电子显微镜 (SEM) 图像。纳米网传感器由以下四层组成:(i) 聚氨酯纳米网嵌入钝化层,(ii) 顶部 Au 纳米网电极层,(iii) 聚对二甲苯涂层的聚氨酯纳米网中间层,以及 (iv) 底部 Au纳米电极层。这四层依次层压到物体上,例如皮肤,没有其他基材。米网传感器表现出抗剪切和摩擦的机械耐久性,而超薄的柔顺结构保持了人类的敏感性。同时实现不易察觉的操作和卓越的耐用性,为需要在自然状态下精确和连续监测运动的应用中进行压力监测提供了可能。为了提高估计力的准确性,需要增加压力传感器的数量并获取空间压力分布。可拉伸和/或防水压力传感器的发展将进一步增强传感器的稳定性,并能够对手指和其他生物物体进行长期压力监测。



     

     

    Ultraflexible and transparent electroluminescent skin for real-time and super-resolution imaging of pressure distribution

    https://www.nature.com/articles/s41467-020-14485-9?utm_source=other&utm_medium=other&utm_content=null&utm_campaign=JRCN_1_LW01_CN_natureOA_article_paid_XMOL

     

    在复杂的三维表面上对压力分布进行成像的能力将显着增加电子皮肤的潜在应用。然而,现有方法由于像素密度有限、灵敏度低或一致性低而显示出较差的空间和时间保真度。在这里,这篇文章报告了一种超柔性和透明的电致发光皮肤,它可以实时自主地显示压力分布的前所未有的高保真连续图像。该器件由两个接触的超薄薄膜组成:透明的压力感应薄膜和基于量子点的电致发光薄膜。特别是对于超薄透明压敏薄膜,该研究开发了一种可溶液加工的纤维素/纳米线纳米混合网络(CNN),其独特的纳米结构表面形态可实现高透光率(~80%)、超高灵敏度(>5000 kPa -1),在较宽的工作范围内都具有很高的线性度,并且响应时间短(<1 ms)。由于两个超薄膜完美贴合每个接触物体,CNN 可以将高保真空间压力转换为连续域中的电导率分布,从而无需像素结构即可实现压力分布的超分辨率(> 1000 dpi)模拟成像由于高灵敏度和卓越的空间分辨率,我们的设备甚至可以清晰地显示由指纹等软体微纹理引起的压力分布。我们进一步构建了实时智能触摸界面,通过将我们的电致发光皮肤与数字成像系统集成,可以识别用户以及触摸力和位置。

     


     

     

     


  • yushanyu 4月前
    引用 4


    月末汇总
    在各种表面上的坚韧粘接是现代功能粘合剂的显著特征。从传统的树和树胶到仿生粘接水凝胶,聚合物结构不仅在表现出优异的和长期的粘接性能方面发挥着重要作用,而且在特殊环境(如高水分环境或水下)中实现粘接行为也发挥着重要作用[1]。水下胶粘剂在日常生活、海洋和医疗等领域有着广泛的应用,可以说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。然而,由于胶粘剂界面的水合水很难被驱离,实现强大的水下胶粘性是一项具有挑战性的任务[2]。这层水合水膜严重地阻止了胶粘剂和基材之间的紧密化学接触削弱了界面分子之间的相互作用因此提供粘合驱动力的被粘附物的表面能大大降低[3]。
       已经有许多研究者对水下粘附剂进行了很多探索,我们可以借鉴他们的经验学习他们的成果。贻贝为灵感的导电水凝胶在开发下一代自粘性、柔性类皮肤传感器方面颇具吸引力。一种多巴胺触发的凝胶(DTG)策略,用于制备贻贝启发的、透明的和导电的水凝胶。DTG设计充分利用了作为聚合引发剂和动态介体的多巴胺的双重功能,精心设计和协调了水凝胶的交联网络,具有显著的粘附性、坚固的弹性、自愈能力。这些优异的性能使DTG水凝胶能够作为自粘性、柔性的皮肤传感器,实现在水下的粘附。这种良好的粘接性能也可以表现在广泛的基底上,包括有机(聚四氟乙烯(PTFE)和聚乙烯(PE))和无机(铝(Al)和玻璃)表面。如图1所示, PTFE为6.1kPa,PE为8.4kPa,铝板为20.4kPa,玻璃为14.5kPa[4]。此外,DTG水凝胶对猪皮等组织表面的黏附强度(10.3±0.5kPa)与一些邻苯二酚水凝胶相当。
     

    图1

    来自低分子单体的超分子胶粘剂很少被认识。与聚合物粘接材料相比,超分子粘接材料在湿表面甚至水下实现强韧粘接仍然具有挑战性。本研究成功地设计并制备了一种由低分子单体组成的新型超分子胶粘剂。在各种表面上实现了较强的长期粘接性能,最大粘接强度为4.174 MPa[1]。这种超分子胶粘剂在高水分和水下环境(包括海水)中表现出坚韧和稳定的粘接性能.


    图2

    有研究者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%)[3]。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。
     

    图3

    研究者提出了一种基于硅钨酸(SiW)和聚乙二醇-嵌段-聚丙二醇-嵌段-聚乙二醇(P123)胶束水溶液在氢键和疏水相互作用驱动下一步凝聚的新型瞬时水下胶粘剂。所制备的胶粘剂在水下具有瞬间优异的附着力(在聚甲基丙烯酸甲酯上高达479.6 kPa)[5],可在水下在各种基材上轻松涂漆,表现出耐水冲性能以及基材的可重复拉伸和弯曲性能,优于以往报道的许多胶粘剂。
     

    图4


    1.        Li, X., et al., Tough, Long-Term, Water-Resistant, and Underwater Adhesion of Low-Molecular-Weight Supramolecular Adhesives. J Am Chem Soc, 2020. 142(11): p. 5371-5379.
    2.        Cui, C., et al., Water-Triggered Hyperbranched Polymer Universal Adhesives: From Strong Underwater Adhesion to Rapid Sealing Hemostasis. Adv Mater, 2019. 31(49): p. e1905761.
    3.        Fan, H., J. Wang, and J.P. Gong, Barnacle Cement Proteins‐Inspired Tough Hydrogels with Robust, Long‐Lasting, and Repeatable Underwater Adhesion. Advanced Functional Materials, 2020. 31(11).
    4.        Zhang, C., et al., Dopamine-Triggered Hydrogels with High Transparency, Self-Adhesion, and Thermoresponse as Skinlike Sensors. ACS Nano, 2021. 15(1): p. 1785-1794.
    5.        Peng, Q., et al., Coacervation-driven instant paintable underwater adhesives with tunable optical and electrochromic properties. Journal of Materials Chemistry A, 2021.

    最后于 4月前 被yushanyu编辑 ,原因:
  • chengchaoyi 4月前
    引用 5


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    • 仿生智能材料研究组
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