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南开大学团队研获晶态“人工肌肉” 蒸汽驱动可做“仰卧起坐”
来源: 发稿时间:2019-08-14 15:17
上图:polyCOF-42膜模拟人工肌肉做提拉重物和仰卧起坐运动

  南开新闻网讯(记者 吴军辉)日前,南开大学化学学院张振杰研究员与药物化学生物学国家重点实验室陈瑶研究员以及南佛罗里达大学马胜前教授合作,首次利用线性高分子作为COFs的构筑单体,通过室温界面聚合成功合成了一种新型的高分子-共价有机框架 (polyCOFs) 膜。该膜材料兼具COFs和高分子的优点,同时具有较高的结晶度和化学稳定性。polyCOFs可以自发形成无缺陷的、自支撑的、高机械性能的连续膜,具有可逆的蒸汽刺激机械响应行为。利用polyCOF膜制备成的“人工肌肉”材料,在蒸气的刺激下可做出诸如举重、仰卧起坐等复杂的仿生运动。

  介绍该研究成果的论文于发表于国际综合类刊物《ACS Cent. Sci.》上。该研究工作受到ACS Weekly PressPac、ACS Headline Science、C&EN专题报道。

  共价有机框架 (COFs) 材料是一种有规则结构的、化学稳定的、高孔隙率和孔径可调控的晶态材料,在催化、气体存储与分离、药物传输、超级电容器、功能器件以及膜分离等领域具有潜在的应用价值。

  目前,COFs材料主要是通过溶剂热制备而成,由于在合成过程中存在结构缺陷,限制了COFs的有序生成。因此,大部分COFs材料以微晶粉末的形式存在,很难形成大尺寸的晶体或大面积膜,这限制了COFs材料的进一步应用。因此,开发新的合成策略来制备具有高结晶度、高机械加工性能以及高孔隙率的COF膜,对于推动COFs材料的进一步应用具有重要意义。

  张振杰研究员课题组创造性地用聚乙二醇作为连接器合成了含有构筑COFs单元的高分子构筑单体。并采用界面聚合的反应策略,在室温条件下通过多组分缩合反应成功制备了一系列自支撑的、具有高机械加工性能的高分子-共价有机框架复合膜(polyCOF)。值得注意的是,通过调节高分子构筑单体的含量,可以很好地调控polyCOF膜的结晶度、孔隙率以及机械强度。

  张振杰研究员介绍,他们制备的polyCOF膜不仅具有有序的孔结构和高的比表面积,同时展现了较高的水的渗透率和优良的选择性分离性能。polyCOF膜的分离效率远高于纯COF膜的分离效率,表明高分子构筑单体不但能够提高膜的机械加工性能,而且能够有效地调节COFs孔道的大小。

上图:polycof膜的合成策略。该polycof膜对蒸汽具有刺激响应行为,可以进行可逆弯曲运动。

  另外,由于所引入的聚乙二醇高分子具有很强的溶胀作用,利用高分子构筑单体和COFs材料的协同效应,polyCOF膜展现出有趣的蒸汽刺激响应行为,这为COFs材料的应用提供了一个新的方向。利用这种响应行为,polyCOF膜可以模拟“人工肌肉”,实现复杂的仿生运动。

  “如果能够摆脱COF膜在机械加工方面存在的缺陷,满足高机械强度的应用,COF膜将在新的应用领域取得更大的突破实现。而我们发展的这个polyCOF膜的新策略,可以成功的解决COF膜机械性能差的问题,可以作为一种普适的方法,应用在其他的高分子和COFs体系。”张振杰说,目前课题组正在开展对其他polyCOF膜的研究。

  南开大学化学学院张振杰课题组博士生王志方为论文第一作者,喻琪为第二作者。化学学院张振杰、药物化学生物学国家重点实验陈瑶、美国南佛罗利达大学教授马胜前为论文共同通讯作者。该研究由国家自然科学基金、天津市自然科学基金支持。

  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscentsci.9b00212

编辑:蓝芳

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