您好,欢迎访问前沿软物质学院!

新闻动态
北海道大学2位助理教授同行来访交流水凝胶复合材料的最新研究
发布时间:2019-07-03        浏览次数:266

  7月1日上午,受华南软物质科学与技术高等研究院特聘研究员孙桃林邀请,北海道大学Daniel King和Takayuki Nonoyama两位助理教授到访研究院,分别就“Macroscale Double Networks: A Universal Method for Improving the Strength and Toughness of Soft Materials”和“Bone-inspired soft composite possessing osteo-activity”两大主题做学术报告,并与师生深入交流。

  宏观双网络型结构:一种提高软材料强度和韧性的通用方法

 

  Daniel King博士长期从事软物质复合材料的强度和功能化设计、材料增韧机理、仿壁虎的黏附强度设计等方面的研究。“双网络的概念是革命性的,它能够将柔软、易碎的水凝胶转变为坚韧、坚固的材料,其力学性能与最佳合成弹性体相匹配。如双网络水凝胶由两个相互渗透的网络组成,每个网络都有特定的力学响应:‘第一个网络’作为牺牲网络,由一个刚性的、脆性的网络组成;‘第二个网络’是一个全局渗透的、可伸缩的网络。当双网水凝胶被拉伸时,脆性的第一网络结构首先断裂,耗散能量来增强材料的韧性;随着应变的继续增加,脆性的第一网络结构不断被破坏直至第二个网络结构断裂。在这里,我们将利用这个概念来开发具有类似宏观双网络结构型的材料” Daniel King介绍,基于此设计原理,利用3D打印的聚氨酯/聚丙烯酸酯充当刚性的“第一个网络”结构而天然橡胶充当全局、软的和可伸缩的“第二个网络”来实现具有宏观双网络型结构型的复合材料。研究发现,通过设计刚性网络结构的几何尺寸和密度,能独立控制复合材料的屈服强度和局部断裂应变,可以实现复合材料的渐进式断裂,从而最大优化复合材料的韧性。

  Daniel King认为,使用宏观双网络型技术还能够创建具有独特性能的复合材料。在此之前,高性能水凝胶复合材料的制备一直比较困难,因为水凝胶基体在水中会发生膨胀或收缩,导致复合材料试样因内应力的存在而发生屈曲或分层。基于宏观双网络结构型设计原理,还可以设计具有自愈合和高韧性的水凝胶复合材料。如利用具有刚性的低熔点合金(LMA)来充当“第一个网络”结构,而具有韧性的水凝胶材料充当第二个网络来制备水凝胶复合材料。当加热试样时,复合材料中的LMA框架能够熔化和变形而能有效消除复合试样中的残余的内应力,再通过冷却样品得到具有均匀结构的水凝胶复合材料。同时,在拉伸过程中断裂的LMA框架还可以在热水中实现“自治愈”,从而能实现具有自愈合和高韧性水凝胶的复合材料。该工艺为自愈复合水凝胶材料的制备开辟了新的途径。

  通过生物矿化实现骨再生水凝胶复合材料

  Takayuki Nonoyama博士长期从事生物矿化、骨再生、高韧性水凝胶和温敏性水凝胶等方面的研究。“骨组织是一种天然的有机/无机复合材料,具有生物、化学和机械作用,如造血、磷储存和支持体重,以维持生命。骨组织力学性能的本质主要包括以下四个部分;软性有机/硬性无机化合物的组分、取向、界面相互作用和层次结构等应是构造材料的有益策略。” Takayuki Nonoyama介绍,本研究以骨结构组织为灵感,研制了羟基磷灰石-水凝胶复合材料。与传统水凝胶相比,该复合材料具有较高的刚度和韧性。同时,通过动物活体实验表明,该复合材料能与软骨有着较强的黏附性能和骨再生能力。

  本次来访的两位助理教授与研究院孙桃林教授均擅长于水凝胶复合材料的设计和研究,研究方向一脉相承。报告中,两位嘉宾不仅分享了日本有关水凝胶研究的最新进展,并就细节问题与研究院师生进行了深入探讨。正因为研究方向的高度契合,使得交流不仅更为顺畅,且在讨论中激发了新的火花,报告成效显著,促进了国际同行间的学术交流。(图文/分子科学与工程学院(华南软物质科学与技术高等研究院))


地址:中国广东省广州市番禺区华南理工大学国际校区  

版权:华南理工大学前沿软物质学院

粤ICP备05084312号