天富代理南京工业大学董晓臣《ACS Nano》MXene激活快速凝胶化:一种分子方法

时间:2021-03-05 作者:天富代理-天富测速 热度:
 
天富代理南京工业大学董晓臣《ACS Nano》MXene激活快速凝胶化:一种分子方法


 
 
基于MXene的水凝胶是一种蓬勃发展的软材料家族,最近已成为可伸缩电子产品的有希望的候选者。尽管有最新进展,但大多数工作还是使用MXenes作为导电纳米填料。举个例子,已开发了一种高度可拉伸且自愈的聚乙烯醇(PVA)-MXene水凝胶,天富平台怎么样?该水凝胶不仅可以感知其表面的复杂运动,还可以收集超声能量以为电动设备提供远程动力。
 
最近,南京工业大学董晓臣和阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef教授团队通过调节MXene纳米片与水凝胶中其他成分之间的分子相互作用,作者证明了Ti3C3Tx MXene可以用作通用的交联剂,以激活多种水凝胶的快速凝胶化,从各种基于单体和聚合物的材料开始前体。相关论文Ti3C2Tx MXene-Activated Fast Gelation of Stretchable and Self-Healing Hydrogels: A Molecular Approach发表在《ACS Nano》上。跨水凝胶的凝胶行为明显不同。通常,快速凝胶化机制归因于借助Ti3C2Tx MXene较容易产生自由基,以及MXene与聚合物之间存在多尺度分子相互作用。MXene作为动态交联剂的使用可带来卓越的机械性能,附着力和自修复能力。由于Ti3C2Tx固有的光热行为和聚合物的异相相变特征,聚合物-MXene水凝胶在近红外光照射下表现出独特的基于热敏的致动,并伴随着快速的形状转变。
 
在一个典型的实验中,在过硫酸铵(APS)和甘油的存在下,将Ti3C2Tx纳米片与一种单体(例如AA)混合,以形成聚(丙烯酸)(PAA)-MXene水凝胶(图1a)。为了探测所形成的水凝胶的结构单元之间的分子相互作用,获得了PAA和PAA- Ti3C2Tx水凝胶的傅里叶变换红外(FTIR)吸收光谱,并在图1b中进行了描述。这种水凝胶的胶凝时间与单体的化学结构及其与MXene的相应分子相互作用密切相关(图1c)。作者进一步开发了Ti3C2Tx MXene作为胶凝剂,不仅从单体开始,而且从包括明胶,琼脂在内的聚合物开始 ,PVA,藻酸盐和壳聚糖(图1d)。
 
图1.(a)PAA-MXene水凝胶的凝胶化机理示意图。(b)PAA和PAA-MXene水凝胶的FTIR光谱。(c)PAA-,PAM-,PDMA-,PNIPAM-,PHEMA-,PANI-和PEGDA-MXene水凝胶的胶凝时间。插图:相应起始单体的化学结构。(d)从单体和聚合物链开始的基于MXene的水凝胶的照片。
 
为了进一步了解快速凝胶化过程,作者使用了由红外热成像仪和光学相机组成的热成像系统,以实时捕获PAA-和PAM-MXene水凝胶的凝胶化过程中的热分布。作者将这些水凝胶称为X-MXeney水凝胶,其中“ X”是聚合物的名称,“ y”是指MXene的浓度。尽管较低浓度的MXene用于PAA-MXene水凝胶合成,但PAA-MXene的增加量比PAM-MXene的增加量高1个数量级(约30 vs. 3°C)(图2a–d),显示出巨大的差异由于分子相互作用方式的不同,在凝胶动力学方面的差异。定义在热成像图中温度升高开始的起始时间(图2e)被定义为描绘了自由基的快速生成。由于聚合引发的胶凝反应总是伴随着大量的热量释放,因此自热速率得以定义 因为温度-时间曲线的斜率被用来反映胶凝速率。对于PAA-MXene1.43,PAA-MXene2.86和PAA-MXene4.29,加热速率分别为0.200、0.226和0.159°C/s,对于PAM-加热速率分别为0.010、0.014和0.012°C/s。MXene2,PAM-MXene4和PAM-MXene6(图2f)。
 
图2.(a,c)分别在MXA浓度为1.43和2 mg/mL的PAA-和PAM-MXene水凝胶凝胶化过程中获得的瞬时热分析图。比例尺:3厘米。(b,d)分别在具有不同MXene浓度的PAA-和PAM-MXene水凝胶的凝胶化过程中的自加热过程。(e)分别以不同的MXene浓度在PAA-(左)和PAM-MXene(右)水凝胶凝胶化过程中的起始时间。(f)具有不同MXene浓度的PAA-(左)和PAM-MXene(右)水凝胶的自加热速率。(g)在不同的缓冲溶液中PAA-MXene水凝胶的快速原位凝胶化。比例尺:3厘米。(h)高PAA-MXene水凝胶纤维(50.8厘米)通过狭窄的针孔的可挤出性。比例尺:10厘米。(i)挤出的水凝胶纤维的高拉伸性。(j)具有可编程形状的挤出水凝胶纤维的图案化构型。
 
快速胶凝性能可能会激发新兴的应用。例如,使用装有PAA-MXene前体的注射器在不同的缓冲溶液(pH 2.71、7.27和13.36)中原位凝胶化(图2g)。快速胶凝,高拉伸性(超过1000%)和可编程的结构配置(图2h–j)的结合,可以进一步使基于挤出的印刷电子产品具有较高的形状保真度。
 
PAA-和PAM-MXene水凝胶在较高的MXene浓度下均显示出增强的可拉伸性,而在额外添加共价交联剂N,N-亚甲基双(丙烯酰胺)(MBAA)时,其变脆。将MXene掺入水凝胶还可以减少机械滞后,降低能量耗散并提高附着力,进一步证明了Ti3C2Tx MXene作为2D导电交联剂的优越性。此外,MXene和PAA之间可逆的动态氢相互作用的丰富性导致了出色的自愈特性(图3a)。PAA-MXene4.29水凝胶被用来评估自愈性能与愈合时间的关系(图3b)。修复2 h后,水凝胶可恢复818.81%的应变,修复效率高达52.21%。另外,恢复4 h和6 h后,回收的菌株分别为117.70%和1385.03%,治愈率分别为74.68%和88.29%。值得注意的是,当添加重量比为1:2、1:3和1:4(MXene:MBAA)的共价交联剂MBAA时,治愈的菌株仅为561.01%,309.79%和92.19%,HE值为77.39。愈合6小时后的百分比,57.08%和32.53%(图3c)。
 
图3.(a)在不同MXene浓度下,PAA-MXene水凝胶的自愈行为。(b)愈合2、4和6小时后,PAA-MXene4.29水凝胶的应力-应变曲线。(c)MBAA剂量对PAA-MXene水凝胶自愈特性的影响。(d)愈合0分钟(I),10分钟(II),20分钟(III)和30分钟(IV)后的切口区域的光学显微镜图像。比例尺:20μm。(e)通过光学显微镜监测的纯PAA(红色)和PAA-MXene1.43(绿色)水凝胶的标称愈合效率。(f)由近红外激光诱导的增强的自我修复效率。(g)PAA-MXene水凝胶的自我修复机制。
 
利用光学显微镜原位反映水凝胶表面划痕的自愈过程(图3d)。光学显微镜下的标称愈合效率(%)通过将愈合宽度除以划痕的原始宽度来计算。PAA-MXene1的标称治愈效率。水凝胶对纯PAA水凝胶非常有利(图3e)。考虑到MXenes的光热效应,利用了近红外(NIR)激光来增强自愈能力(图3f)。MXene,PAA和甘油之间的动态键合就是这种自我修复的原因。在变形过程中,MBAA交联的PAA链不可逆地断裂。但是,通过MXene交联的那些分子会通过减少氢相互作用的数量来耗散更多的形变能(图3g)。
 
由于MXene具有令人印象深刻的光热容量,天富测速网址因此PAA-MXene水凝胶在循环NIR开-关期间表现出可重现的热感(图4a)。由于在NIR照射过程中会发生温度升高,因此这种水凝胶可以在没有物理接触的情况下感应温度变化(图4b)。应变时的不同电学特性可通过在拉伸过程中调整水凝胶块内的MXene密度来设定可编程的热敏特性(图4c)。因此,曲率从2.063到1.710 mm-1不等。有趣的是,高度和曲率变化的波形保持了相似的趋势(图4d,e)。这种不同的驱动力可归因于正负两层之间的异质光热容量(图4f)。还展示了一个终端固定的执行器(图4g)。高度拱形和末端固定的水凝胶致动器甚至可以在NIR暴露80 s后翻转180°并变平(图4g,h)。固定点和水凝胶末端之间的位移(D)随着暴露时间的增加而增加(图4i)。两个水凝胶片之间的热响应各向异性(图4f)和机械性能说明了这种光热诱导的致动。
 
图4.(a)循环NIR开关时,PAA-MXene水凝胶的温度(左)和电(右)信号的同步变化。(b)PAA-MXene水凝胶的热敏。(c)在近红外照射下,PAA-MXene水凝胶在不同应变下的电响应。(d)连续近红外曝光后BLMH执行器的光学图像。比例尺:1厘米。(e)在暴露近红外光后,BLMH执行器的高度和曲率随时间变化。(f)正层(蓝色)和无源层(红色)的温度变化。(g)BLMH执行器的形状转换,其中一个端子固定在基准上。比例尺:2厘米。(h)热致动期间的坐标变化。(i)终端固定致动期间的位移(D)变化。
 
参考文献: doi.org/10.1021/acsnano.0c07998
 
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