The Innovation | 老树开新花：橡胶材料的新应用
导 读
碘掺杂不饱和橡胶曾作为导电高分子机理研究中重要的一环，被广泛地研究。究竟是碘与双键引发的电荷转移带来的电荷传递？还是碘掺杂引入了共轭结构引起了导电性能的增加？科学家们对此各执一词。对机理重新进行挖掘，巧妙构筑光热转换材料，并拓展到智能抗污涂层、可控乳液等领域的研究，极大地丰富了传统橡胶的应用范畴，让老树开出了新花。
橡胶材料广泛应用于工业、农业、国防、交通运输等领域。生活中常见的橡胶制品包括橡胶手套、雨靴、轮胎、乳胶玩具等。对橡胶制品的发展和改性极大地丰富了人们对于它的认识和理解。这些认知有助于引导人们拓展橡胶材料的性能极限，扩大其应用范围，实现橡胶在新领域中的新应用。
中国人民大学化学系王亚培课题组发展了碘掺杂橡胶这一体系，在新型光热转换材料的开发、抗污界面以及杀菌材料的制备、自发乳液体系的建立等方面开展了先驱性的工作，拓宽了橡胶材料的应用范围（图1）。
图1 碘掺杂不饱和橡胶应用拓展
通过碘掺杂反式聚异戊二烯（TPI）橡胶可以得到光热转换效率高达91.2%的光热橡胶材料。该材料具有良好的长期稳定性，在空气中暴露6个月后，其光热转换能力没有明显的下降。实验进一步证明，碘掺杂不饱和橡胶过程会在体系中形成多碘负离子与阳离子自由基，共同赋予TPI优异的光热转换能力。结合计算建模和多维数字打印技术，可以按需制备具有任意形态的大尺度光热转换材料，引领可定制化3D打印光热转换材料的新风尚。
在接下来的工作中，王亚培课题组巧妙地利用碘掺杂橡胶过程中产生的阳离子自由基，在具有光热转换性能的TPI橡胶表面成功修饰了热敏型聚合物—聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）。利用光热转换为体系中带来的温度变化，引发碘的可控释放，结合PNIPAM链的伸展和收缩，构建了光热转换触发的“杀死-释放细菌”体系，实现碘掺杂橡胶材料防污的特性。
常见的碘伏（聚维酮碘制剂）在过去的研究中对成骨细胞、成纤维细胞和成肌细胞具有明显的细胞毒性，会大大阻碍伤口的愈合。利用碘与橡胶之间发生的电荷转移过程，有效地构筑碘的缓释体系，或能成为解决这一问题的关键。基于此，他们发展了一种纳米碘胶囊，利用不饱和橡胶中的双键高效固定碘分子，降低溶液中的碘含量，在保证抗菌能力的同时，有效降低了碘对正常细胞的毒性，提供了长效抗菌的可能性。经实验验证，这一种纳米碘胶囊也会促进伤口的愈合。
进一步地，碘掺杂橡胶体系可以扩展到“一步法”制备复杂乳液的研究中。制备得到内相为碘掺杂苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）溶液的水包油乳液。由于SBS与碘发生的电荷转移过程能够在油相中产生大量离子，使得油相中渗透压增加，渗透压驱动外相中的水进入内相。SBS因碘的掺杂变成具有两亲性的聚合物，能够稳定油相内部新生成的油水界面。利用自发乳液的行为，仅需一步搅拌即可简单制备得到“水包油包水”的复杂乳液（图2）。
图2 复杂乳液的形成过程
总结和展望
利用碘掺杂极大地扩展了传统橡胶的应用范畴。上述开创性工作在一定程度上证明了：如果碘掺杂橡胶中的活性物质，能够被充分地理解并重视，那么科学家们将有望进一步挖掘这一类橡胶材料的应用潜力，实现“老材料”在新领域的拓土开疆。
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00020-5
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第二期将发表的Commentary文章“Old Inspires New: Activation and Stabilization of Iodine in Diene-based Rubbers” (投稿: 2020-11-24；接收: 2021-01-24；在线刊出: 2021-03-09)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100095
引用格式：Li R., Wang Z., Wang Y et al. 2021. Old Inspires New: Activation and Stabilization of Iodine in Diene-based Rubbers. The Innovation. 2(2),100095.
作者简介
王亚培教授于2009年获得清华大学理学博士学位，师从张希院士。2009~2011年在北卡罗来纳大学教堂山分校从事博士后研究，导师为Joseph M. DeSimone院士。2012年2月加入中国人民大学化学系，担任特聘研究员，2015年7月晋升为教授，并入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。先后获国家自然科学基金委优秀青年基金（2014）、中国化学会青年化学奖（2014）、教育部长江学者青年学者计划（2017）、国家自然科学基金委杰出青年基金（2018）。
课题组主页：http://chem.ruc.edu.cn/yapeigroup/Homepage_CHN.html
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