东林于海鹏教授/武大陈朝吉教授/沈阳化工赵大伟副教授等AM: 纤维素和丙烯酰胺构筑的仿生新材料研究取得进展

许多生命有机体虽然是由普通有机聚合物如多糖、蛋白质、氨基酸等构成，但却具有复杂的化学构效和神奇的机体行为，带给科学工作者许多深刻的思考。比如，植物的很多优异性能都有多糖分子及其纤丝结构的重要作用，蜘蛛丝、蚕丝和贻贝的很多优异特性都与其蛋白结构直接相关，而海参的神奇行为也同样有蛋白和多糖参与在其中。以自然界中的神奇生物结构为榜样，在分子尺度上寻找与多糖分子相异又互补的单体进行组配设计，通过灵活重组来促进新的、更强结构体的诞生，衍生更符合人类期盼的生物基仿生新材料，是一个有趣而又重要的研究方向。

近日，东北林业大学于海鹏教授、武汉大学陈朝吉教授及沈阳化工大学赵大伟副教授在国际著名学术期刊《Advanced Materials》上发表了题为“A stiffness-switchable, biomimetic smart material enabled by supramolecular reconfiguration”的最新研究成果。

该研究工作以海参具有的软-硬可逆变换特性为参考，通过分析其真皮组织组分及反应特点，以具有广泛来源的纤维素、丙烯酰胺为原料来模拟海参的胶原纤维、氨基酸和多糖组分间的相互作用，通过水-醇的溶剂诱导作用来调控它们的超分子拓扑网络变化，以实现其宏观结构和力学特性的可变性，并成功获得了一种机械性能可切换的智能材料。

该智能材料在水相中呈现水母般的透明、柔软状态和出色的变形能力，这是源于其两相大分子均亲水并在水相中呈线性伸展构型；而在乙醇的刺激下，丙烯酰胺会围绕半刚性的纤维素大分子链自组装絮聚并聚合，形成了超分子构象转变和结构增强，从而实现了刚度值470多倍的变化。这种状态下可承受超过其自身重量35000倍的载荷，可抵抗比冲击强度高达116 kJ/m²/(g/cm³)的冲击，甚至是尖锐物的高速穿刺，比抗穿刺吸收能量达705J/m/(g/cm³)，优于常规的石英玻璃、高密度聚乙烯、铝合金等硬质材料，甚至可媲美凯夫拉纤维和D3O等优异的商用保护材料。

这种材料具有可设计性、可回收性、自愈性，容易实现大规模制造，其轻质高强的结构特性可在防护装置领域、高强度先进工程领域具有很大的应用前景。

该研究得到了国家自然科学基金等项目资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202107857

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