目前，人工合成材料很难实现两种极端软、硬状态的可逆切换，并且这些材料不能像生物体一样可以自我修复。
针对以上问题，东北林业大学于海鹏教授、武汉大学陈朝吉教授、沈阳化工大学赵大伟副教授合作通过独特的水-乙醇溶剂交换诱导的超分子重构策略，开发了一种在软凝胶状态下具有优异的成型能力和在增强状态下具有极高力学性能的新型仿生智能材料（Cel-PAAm），相关研究论文发表在 Advanced Materials 上。
论文基本信息
论文作者：
于海鹏，通讯作者：东北林业大学教授
陈朝吉，通讯作者：武汉大学教授
赵大伟，通讯作者：沈阳化工大学副教授
论文标题：
A Stiffness-Switchable, Biomimetic Smart Material Enabled by Supramolecular Reconfiguration
领域方向：生物材料、生物化学与分子生物学
来源期刊：Advanced Materials
DOI：10.1002/adma.202107857
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202107857
期刊影响因子：30.849
JCR分区：Q1
在这项研究中，研究人员使用纤维素（Cel）和聚丙烯酰胺（PAAm）来模拟生物组织的可变形组织，在水和乙醇中，Cel 分子呈线性伸展构型，PAAm 分子表现出构型可切换的行为，在水中伸展但在乙醇中卷曲，这些特性使 Cel-PAAm 具有两种可切换的超分子构型状态。
与此同时，Cel-PAAm 的硬度能从 0.51 MPa 增加到 243.6 MPa，具有出色的承载能力，优异的抗穿刺/抗冲击性能，高于一些金属和合金，甚至可与商用的保护材料如 D3O 和 Kevlar 相媲美。
此外，这种材料具有一定的自修复性和可设计的成形性，在高强度耐久性和良好成形性的先进工程领域具有很大的应用前景。
图 | 仿生自调节智能材料的设计（来源：Advanced Materials）关于材料的构成，论文中写道：“ Cel-PAAm 由生物质衍生的含羟基的纤维素和含酰胺基团的原位聚合 PAAm 两种大分子组成。在初始状态下，Cel-PAAm 具有低刚度、高柔韧性的双链超分子网络。”
具体来说，当乙醇刺激时，Cel-PAAm 的超分子构型从伸展的双链网络转变为卷曲的骨架。在这种超分子构型中，PAAm 分子通过羟基和酰胺基团之间的氢键缠绕在纤维素分子链上，使材料变硬增强。
因此，增强的 Cel-PAAm 可以轻松举起高达 100 克的重量，弹性模量增加470 倍以上。
由于这种动态氢键是转化的基础，增强的 CEL-PAAM 在暴露于水中后会再次可逆地转变为软凝胶状态。
因此，就像有机体一样，Cel-PAAm 只需改变其环境就可以很容易地在软硬之间切换。
图 | Cel-PAAm 可逆切换超分子构型机理（来源：Advanced Materials）另外，研究人员还进行了原位拉曼、XPS、红外等测试。值得一提的是 Cel-PAAm 在两种状态下的拉伸性能远远高于石英玻璃、木片、高密度聚乙烯等常见材料，以及 D3O 和 Kevlar 等商用防护材料。
图 | Cel-PAAm 的可设计性、可回收性、自愈性和优异的抗穿刺性（来源：Advanced Materials）研究者将 Cel-PAAm 做成速度滑冰的保护装置，表现出优异的抗冲击性以及与儿童骨骼和肘部的高度兼容性。这些防护装置的比冲击强度高于商用聚丙烯酰胺和铝板。
该材料即使在 -50℃ 的环境中放置 24 小时，仍具有出色的抗冲击性，可以与商业抗冲击防护材料如 D3O 和芳纶相媲美。
Cel-PAAm 的特性使其在软体机器人、智能建筑和个人防护设备等一系列应用中具有巨大潜力，未来，它可能成为理想的防护设备候选材料。
参考
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202107857
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