《ACS Nano》“固体”中的液体行为：动态复合水凝胶制造多维度双折射材料

液-固转变过程被广泛用于聚合物材料的加工和生产。除了常见的注塑成型，通过固化流动中的液体，可以调控材料内部结构的取向。此外，在静态的液体系统中，液滴的表面张力可以塑造平滑的球面，平面，或其他特殊曲面，进而赋予材料复杂的几何形状。然而，这些液体特性在材料制造中的运用仍然面临挑战：液体固化的过程非常依赖模具的支撑，流动的液体更需要特殊设计的流动通道；同时，流动的液体和静态的液体无法共存于同一系统中，因而很难将两者的特点集成在同一材料的制备中。

近日，德国哥廷根大学Kai Zhang教授带领的研究团队在ACS Nano上发表了题为“Liquid behaviors-assisted fabrication of multidimensional birefringent materials from dynamic hybrid hydrogels”的文章，该工作充分利用动态复合水凝胶的粘弹性，成功将流动液体的特性与静止液体的特性结合在一起，制造了形状和微观取向可调控的双折射材料。

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图1：a）动态复合水凝胶的组成，b）纤维素纳米晶在动态水凝胶中的取向。

在剪切力或轴向拉伸的牵引下，由硼酸酯键（boronate ester bond）交联的动态水凝胶表现出剪切变稀的现象，并驱动了内部纤维素纳米晶 （CNC）的流体力学取向（hydrodynamic alignment）。然而在外力撤销后，由于纤维素纳米晶的触变性，其取向结构被保存在快速松弛的水凝胶网络中，从而留下了流动液体的“足迹”。将伸长的水凝胶静置干燥即可转变成干凝胶（xerogel）。在此过程中，水凝胶表面张力则进一步增进了纤维素纳米晶的取向，因此在交叉的偏振片间展现出彩虹状的干涉色。

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图2：a）在水凝胶的拉伸和干燥过程中可观察到干涉色，b）纤维素纳米晶的取向原理。

不同于一般的流体力学取向过程，在动态水凝胶中，纤维素纳米晶的取向不需要收敛的流动通道，而是直接被水凝胶收敛的边界所限制。因此，所得到的干凝胶不仅表现出可调控的双折射现象，其几何形状也可以被自由的编辑：如形成不同截面形状的薄膜，纤维，以及扭转的弹簧结构。此外，在表面张力的驱动下，拉伸干燥的管状干凝胶可以形成向内凹陷的环状曲面。迄今为止，这也是第一种可以制造中空的类悬链曲面（pseudo catenoid）并形成各向异性微观结构的方法。

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图3：构建不同的几何形状, a）膜， b）纤维， c)中空类悬链曲面。

该研究表明，通过充分运用动态复合水凝胶中的液体行为，动态液体和静态液体的特性可以在同一材料的成型制备中得以体现。同时借助水凝胶自身的边界，这些液体特性可以被拓展到无需模具支撑的三维复杂结构中。

哥廷根大学Kai Zhang课题组长期以来致力于天然可再生材料的物理和化学方面的研究。其中一个重要的研究方向是天然可再生材料，如纳米纤维素,在构建高性能功能材料方面的应用及其所展现的独特物化性质。