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北海道大学龚剑萍课题组:利用微电极大发排列3研究DN凝胶网络的破坏结构
2019-09-19  来源:高分子科技

  双网络DN(Double Network)水凝胶主要由电解质凝胶网络和中性凝胶网络构成的,因其高机械强度和高韧性的性质在软物质领域是一类独特的凝胶材料。前期的研究工作指出,DN凝胶具有优异的韧性,主要是由于其在拉伸变形过程中刚性的第一凝胶网络不断破坏并耗散的大量的能量。对DN凝胶断裂过程、内部破坏结构和增韧本质的理解,对于揭示研究和设计具有更高强度和韧性的材料具有重要的意义。然而,研究凝胶内部第一网络的破坏微观结构一直是DN凝胶研究的难题,这主要由于在DN凝胶中第一网络很难单独被检测到。

  为了解决上述问题,北海道大学龚剑萍课题组开发了微电极的大发排列3,利用微电极方法对带有电荷的凝胶网络非常敏感而对于中性的凝胶网络不敏感的特点,研究电解质凝胶网络的破坏结构。基于微电极大发排列3得到的电位波动变化,可以反应出DN凝胶网络内部的破坏结构,同时电位大小可以反应出凝胶内部的电荷密度。通过检测凝胶在拉伸破坏后溶胀样品的电位分布并结合凝胶的二次溶胀行为,研究人员成功预测了凝胶内部的第一网络的破坏结构。

  研究人员首先采用一个微小电极针(直径大小在170nm ~ 200 nm),DN凝胶预拉伸到不同应变下样品的二次溶胀行为和电位大小可以被定量地测试出来。研究发现:

  • (1)凝胶电位的变化趋势与力学拉伸曲线、拉伸破坏后的溶胀度大小的趋势是一致的,从而反应了在拉伸变形过程中第一凝胶网络的破坏过程;

  • (2)凝胶样品的屈服是从表面向内部扩展的;

  • (3)凝胶内部第一网络的不均匀破坏导致了凝胶内部电位的不均匀变化,电位的波动沿着拉伸方向上最为明显;

  • (4)随着应变的增加,破坏的第一网络电位分布的变化由单峰分布到双峰分布的转变,这也意味着在凝胶在破坏时存在着不均匀的破坏区域,即主要破坏区和次要破坏区,这两个区域的特征尺寸与DN凝胶内部的网络不均匀性有关。

  该研究工作主要揭示了DN凝胶中第一网络的破坏微观结构,对于理解DN凝胶第一网络在拉伸过程中的破坏行为提供了直接的实验证据。

  相关研究成果近期发表在Macromolecules, 2019。通讯作者为龚剑萍教授,第一作者是郭宏磊

  论文链接:https://doi.org/10.1021/acs.macromol.9b01308

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(责任编辑:xu)
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