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超柔韧仿生膜材料,可用于智能织物

  软体弹性材料的柔性好,变形大,能量转换效率高,在智能织物领域存在巨大的应用需求。但是,目前具有长寿命、低成本以及生物相容性好的软体弹性材料体系的制备仍是一项挑战性工作。

  在自然界中,蜘蛛丝是天然纤维中具有优良性能的代表,可展现出超高的可拉伸性,甚至有些品种蜘蛛的丝可以拉伸百倍而不会断裂,实际上这与蛛丝上黏性液滴中以各种形式“预存”的纤维密不可分。

  此外,动物细胞也具有卓越的柔韧性,它们是通过膜折叠和微绒毛结构来实现的,例如巨噬细胞能够将其表面积扩大5倍以吞噬大的微生物或细胞残片,这其实也与细胞以膜折叠和微绒毛形式“预存”的膜直接相关。

  上述自然界中存在的高弹性体系为科学家设计高性能的可拉伸软体材料提供了重要的启发。法国国家科学研究院(CNRS)的Arnaud Antkowiak等研究者模拟细胞的褶皱和绒毛应变缓冲结构,以聚偏氟乙烯-CO-六氟丙烯(PVDF-HFP)为材质,通过在纳米纤维膜内灌注润湿液体驱动构筑了具有可逆形变的超柔韧材料。

  研究团队首先采用静电纺丝技术制备了PVDF-HFP非织造布膜。在未进行进一步的处理前,该纳米纤维膜的最大耐受形变只有30%。为模拟表面张力驱动下皮层肌动蛋白层的拉伸作用,研究人员进一步在纤维膜内灌注润湿液体(硅油),所产生的毛细作用力将其额外的膜组分储存于褶皱和沟纹构成脉络网路中,从而赋予了该PVDF-HFP膜材料超高可拉伸性。

  进一步将PVDF-HFP膜材料制备成平面状、柱状和球形,研究测试表明,不同形态的膜材料在液体毛细作用驱动下展现出相似的褶皱行为,但是存在细微的受力行为和形变尺度差异。其中球形膜材料在高达10万次的10倍体积膨胀/收缩循环测试中展现出良好的稳定性。

  该理论研究成果有助于人们从微结构形变角度理解软体弹性材料的应力屈曲行为,为超柔韧性材料的设计和构筑提供参考策略,对新一代柔性智能纺织品的开发具有重要指导意义。

  相关论文发表在Science上,题目是Capillarity-induced folds fuel extreme shape changes in thin wicked membranes。

  (来源:X-MOL)

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