三个月内连发2篇论文，鲍哲南课题组新发现可承受5000倍自重的人造肌肉
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7 月 2 日，美国斯坦福大学化学工程系鲍哲南课题组博士后研究员郑雨晴等以第一作者的身份在 Science 上发表了与“全光刻无刻蚀工艺”相关的研究成果。不到三个月，鲍哲南课题组再发表新的重大研究成果。
图｜鲍哲南（来源：斯坦福大学）
鲍哲南课题组本次发现了一种被称为“人造肌肉”的高性能形状记忆聚合物（Shape memory polymers，SMPs)，该聚合物可以承担自身 5000 倍的重量，这种高能密度存储材料具有大应变和无迟滞形态恢复的优越性能。在软体机器人、可开展铰链、密封剂和智能生物医学缝合等新兴领域具有广泛的应用。
图｜人造肌肉（来源：ACS Central Science）
9 月 8 日，相关论文以《利用应变诱导超分子纳米结构的高能量密度形状记忆聚合物》（High Energy Density Shape Memory Polymers Using Strain-Induced Supramolecular Nanostructures）为题发表在 ACS Central Science 上，由克里斯托弗·库珀（Christopher B. Cooper）担任第一作者，鲍哲南担任通讯作者。
该研究主要揭示了应变诱导超分子纳米结构形成人造肌肉的方法，聚合物链发生应变后会整齐地排列，拉伸链呈高度伸长状态。
加热条件下动态键发生断裂，拉升链收缩呈无序排列状态，在这种状态下聚合物链储存的熵能高达 17.9 J/g。这比以往形状记忆聚合物的熵能高 6 倍，为实现高能量密度形状记忆聚合物提供了新的方法。
图｜超分子结构在SMPs中实现高能量密度（来源：ACS Central Science）
形状记忆聚合物在形状复原、延展性和工艺制造等方面也具有显著优势。主要体现在以下两个方面，一是均匀、周期性纳米纤维垂直应变形态，二是长纤维与带状纳米纤维邻近区域之间出现的应变平行。
在未来应用场景方面，形状记忆聚合物与 3D 打印等技术相结合有巨大的应用空间。但是，形状记忆聚合物在能量密度方面的缺陷限制了其在机械工程领域的应用，为了突破这一难题，科学家对形状记忆聚合物进行了外部刺激。
图｜3D 打印相关应用（来源：Pixabay）
PDMs 结构可跨越 5 个数量级，在宏观尺度上可形成均匀薄膜
在光或热等外部因素的刺激下，形状记忆聚合物的始末状态变得可逆。然而，要使其同时兼备高强度、大范围伸缩的恢复应力仍面临着巨大挑战。
该团队对先前描述的 PDMs 胺端基大单体合成进行了修饰，通过一系列化学反应将得到的混合物在室温下搅拌 72h，直到溶液凝胶并部分沉淀。然后，将合成的聚合物在甲醇中淬火，加入过量的己烷完全沉淀，同时让回收的聚合物在 90℃ 的真空中蒸发 2h。
为了更好地理解柔性骨干聚合物聚丙烯乙二醇和强定向氢键单元甲基双苯基尿素（PPG- MPU）形状记忆性能分子和微观结构来源，该团队收集了聚合物块体薄膜在 0% 和 500% 应变下的二维透射图像。
应变薄膜表现出更高的强度和显著的各向异性散射模式，与定向单轴变形聚乙烯的散射模式类似，高强度区域与拉伸方向呈现一致，这表明周期结构垂直于应变方向。
图｜应变诱导的超分子纳米结构（来源：ACS Central Science）
上述结构表征数据显示了一个清晰的层次结构，沿着应变轴产生的长纤维由直径约为 8nm 的带状纤维组成，这种纤维被无定形连接域隔开，每一种纳米纤维都由氢键尿素基团排列成棒状。通过拉伸的 PPG 连接，由此产生的层次结构跨越 5 个数量级，并在宏观尺度上形成均匀的薄膜。
聚合物的升力可达其自重的 5000 倍
最后，该团队在各种演示中展示了 PPG-MPU 在强、快、软及单向驱动器的潜力。动态实验展示了人造肌肉预紧和扭曲的 PPG-MPU 薄膜在热风枪加热之后的状态。可以观察到，PPG-MPU 薄膜在不到1秒时间内即可旋转四分之一的角度，聚合物的升力可达到其自身重量的 5000 倍，输出的功率为 2w/g。
该实验还展示了另一种可将 70g 重量提高了 5.1cm 性能，输出功输出为 1.4 J/g 的预紧 PPG-MPU 膜，如果将 PPG-MPU 膜在放置在加热板上，可以快速、无负载形状恢复。
图｜SMP 拉升 70 克重量实验（来源：ACS Central Science）
该实验证明，SMPs 这种高性能形状记忆聚合物的能量密度可以达到 17.9 J/g，其形状固定度和回收率均超过 90%。SMPs 具备成本低、可溶性较好和密度小等特性，与 PPG-MPU 记忆特性及高能密度相结合，揭示了应变诱导超分子结构在高能量密度单向形状记忆聚合物的巨大应用潜力。
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