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    北海道大學龔劍萍課題組:利用微電極技術研究DN凝膠網絡的破壞結構
    2019-09-19  來源:高分子科技

      雙網絡DN(Double Network)水凝膠主要由電解質凝膠網絡和中性凝膠網絡構成的,因其高機械強度和高韌性的性質在軟物質領域是一類獨特的凝膠材料。前期的研究工作指出,DN凝膠具有優異的韌性,主要是由于其在拉伸變形過程中剛性的第一凝膠網絡不斷破壞并耗散的大量的能量。對DN凝膠斷裂過程、內部破壞結構和增韌本質的理解,對于揭示研究和設計具有更高強度和韌性的材料具有重要的意義。然而,研究凝膠內部第一網絡的破壞微觀結構一直是DN凝膠研究的難題,這主要由于在DN凝膠中第一網絡很難單獨被檢測到。

      為了解決上述問題,北海道大學龔劍萍課題組開發了微電極的技術,利用微電極方法對帶有電荷的凝膠網絡非常敏感而對于中性的凝膠網絡不敏感的特點,研究電解質凝膠網絡的破壞結構。基于微電極技術得到的電位波動變化,可以反應出DN凝膠網絡內部的破壞結構,同時電位大小可以反應出凝膠內部的電荷密度。通過檢測凝膠在拉伸破壞后溶脹樣品的電位分布并結合凝膠的二次溶脹行為,研究人員成功預測了凝膠內部的第一網絡的破壞結構。

      研究人員首先采用一個微小電極針(直徑大小在170nm ~ 200 nm),DN凝膠預拉伸到不同應變下樣品的二次溶脹行為和電位大小可以被定量地測試出來。研究發現:

    • (1)凝膠電位的變化趨勢與力學拉伸曲線、拉伸破壞后的溶脹度大小的趨勢是一致的,從而反應了在拉伸變形過程中第一凝膠網絡的破壞過程;

    • (2)凝膠樣品的屈服是從表面向內部擴展的;

    • (3)凝膠內部第一網絡的不均勻破壞導致了凝膠內部電位的不均勻變化,電位的波動沿著拉伸方向上最為明顯;

    • (4)隨著應變的增加,破壞的第一網絡電位分布的變化由單峰分布到雙峰分布的轉變,這也意味著在凝膠在破壞時存在著不均勻的破壞區域,即主要破壞區和次要破壞區,這兩個區域的特征尺寸與DN凝膠內部的網絡不均勻性有關。

      該研究工作主要揭示了DN凝膠中第一網絡的破壞微觀結構,對于理解DN凝膠第一網絡在拉伸過程中的破壞行為提供了直接的實驗證據。

      相關研究成果近期發表在Macromolecules, 2019。通訊作者為龔劍萍教授,第一作者是郭宏磊

      論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.macromol.9b01308

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