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浙江大学唐睿康教授课题组在仿生蛛丝纤维上取得新进展
2019-11-30  来源:高分子科技

  蜘蛛丝是一种天然的纤维材料,在经过漫长的自然选择进化过程后,其强度和韧性之间达到了高度平衡,拥有极佳的力学性能(拉伸强度:1150±200 MPa;断裂韧性:165±30 J g-1;断裂延伸率 >50%)。研究表明,蜘蛛丝是由高度重复的结晶和非晶蛋白序列有序组装而成。其中,结晶β-sheets嵌段提供刚性,非晶蛋白嵌段提供柔性,这些组装单元有序整合在一起,实现了蛛丝力学性能的最优化。然而,由于蛛丝纤维的特殊分级结构,制备具有类蛛丝高强高韧性能的纤维材料目前仍是一个巨大的挑战。

  生物矿化,是自然界的一种有机生命体调控无机矿物形成的智慧过程,同样可以构建复杂的结晶-非晶分级有序结构材料。例如骨骼,由结晶的羟基磷灰石与非晶的胶原纤维通过高度有序的组装而成。将骨骼与蛛丝对比发现,蛛丝是由亚纳米尺度的蛋白分子作为基本单元通过强烈的共价键形成的共聚物,而骨骼中的羟基磷灰石晶体与胶原纤维则不能在亚纳米尺度大量地形成类似蛛丝中的化学键作用。因此,蛛丝在宏观上能表现出更高的强韧性能。尽管已有很多关于骨仿生有机-无机复合材料的报道,但尚未有仿生矿化相关的策略用于设计和构建具有类蛛丝力学性能的有机-无机复合材料。 

  受此启发,浙江大学化学系的唐睿康教授团队,首次使用无机羟基磷灰石和有机高分子聚乙烯醇分别模仿蛛丝的刚性结晶和柔性无定形的蛋白嵌段,提出利用仿生矿化的策略制备具有类骨结构的有机-无机复合纤维材料,并使其拥有类蛛丝的超高力学性能。相关研究成果发表在材料学国际权威期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials) 上。论文的第一作者为浙江大学化学系博士生余亚东,共同通讯作者是浙江大学化学系刘昭明博士唐睿康教授

  该研究通过利用近期无机离子寡聚体构建的策略(Nature 2019, 574, 394-398; Sci. Adv. 2019, 5, eaaw9569),以超小磷酸钙(~1.64 nm)作为无机结晶前驱体,利用仿生矿化策略,在高分子链上进行有序结晶,大规模制备类蛛丝性能的复合纤维材料。所得到的复合纤维拉伸强度达到949±38 MPa, 断裂韧性达到 296±12 J g-1,断裂延伸率达到80.6%。此外,基于其有序矿化的聚合物链结构,这种纤维具有极大的温度容忍范围(在-196 ~ 80 之间能保持长期的柔韧性)和抑制裂纹横向生长的能力。

复合纤维的制备过程和结构说明

复合纤维的力学性能

复合纤维的温度容忍及其应用展示

  基于其优异的性能和简单的制备方法,该复合纤维在防弹衣,飞行器阻拦网等特种纤维材料领域具有巨大的应用前景。同时,该研究也为利用仿生矿化的策略制备具有复杂分级有序结构的功能有机-无机复合材料提供了新的思路。

  相关进展 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201908556

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