弹性模量试验
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弹性模量试验专题介绍
(3)弹性模量试验混凝土弹性模量是指在静荷载作用下的受压弹性模量,是水泥混凝土材料的一种重要且最具特征的物理力学性能,能够反映出物体变形的难易程度。
关键词碾压砼变形特性徐变弹性模量试验1前言碾压混凝土(以下简称RCC),具有普通混凝土同样的耐久性,并具有施工进度快、水泥用量少、经济效益明显等优点,弥补了普通混凝土的不足。由于RCC坝在施工中采取大面积铺筑碾压,不便于采用预埋冷却水管等一类温控措施,RCC的温度抗裂性一直是人们所关心的问题。
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浙江大学郑强教授、吴子良研究员团队Adv. Mater. : 动态化学键助推水凝胶梯度结构、三维变形重复设计

导读:自变形水凝胶在软机器人、柔性电子等领域具有重大应用价值,如何控制凝胶内部组成与应力分布是实现水凝胶三维变形的关键。通过光刻法可以构筑复杂的梯度结构,从而实现可控三维变形。但是,水凝胶网络的梯度结构通常随着化学反应的完成而永久固定。要实现不同的形状变化并获得新的三维构型,需要重新制备含有不同梯度结构的水凝胶。浙江大学高分子系郑强教授、吴子良研究员团队通过引入动态化学键,实现了水凝胶梯度结构以及三维构型的重复调控。该团队利用胶束聚合将疏水性香豆素单元引入亲水性聚电解质网络,得到的水凝胶材料能够通过光照射实现网络结构的可逆调控。其中,香豆素单元可以在365 nm、254 nm紫外光下发生二聚、解聚反应(图1)。在水凝胶中,基于光致可逆交联实现梯度结构与三维变形的重复设计需要解决以下问题:(1)疏水性单元在水凝胶中的浓度较低,难以保证较高的光化学反应效率;(2)解交联导致凝胶剧烈溶胀,难以回复至初始状态,不利于梯度结构的完全擦除。针对以上问题,该团队选取了十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)作为表面活性剂,聚合后带相反电荷的胶束与聚丙烯酸链段形成聚电解质/表面活性剂复合物(PESC),提高香豆素单元的局部浓度及光化学反应效率。同时,PESC作为物理交联,有效提高了水凝胶的力学性能。PESC的强度具有pH响应性,在中性条件下较弱,有利于体现香豆素不同状态(交联、解交联)对凝胶溶胀度的影响;PESC在酸性条件下较强,可以消除含有不同状态香豆素水凝胶溶胀度的差异。图1.(a)在365/254 nm光照射下,香豆素单元发生可逆的光二聚/光裂解反应。(b)疏水性香豆素单体和亲水性丙烯酸单体在CTAC胶束溶液中共聚得到水凝胶。水中平衡后,带相反电荷的聚丙烯酸与CTAC形成聚电解质/表面活性剂复合物(PESC)。通过PESC中香豆素单元的光裂解和光二聚反应,实现了凝胶网络结构和溶胀性能的可逆调节。基于香豆素光致可逆化学交联和pH响应PESC物理交联,在同一水凝胶中实现了可重复设计的梯度结构和三维变形(图2)。首先,在光模板下采用254 nm紫外光在水凝胶局部引发解交联反应。解交联部分发生溶胀,沿着条纹方向形成内应力,导致凝胶发生卷曲变形。该凝胶在酸性溶液中回复平整状态,通过365 nm紫外光照消除网络梯度结构。水中平衡后,该凝胶回复至初始状态,并可用于后续梯度结构的构筑。该研究将动态化学键引入PESC水凝胶,利用可逆光化学反应实现了水凝胶梯度结构重复构筑、擦写以及三维变形的重复设计,将拓展凝胶材料在智能柔性器件等领域的应用。图2. 可重复设计的水凝胶梯度结构及三维变形。通过光掩模实现凝胶局部香豆素解交联、二聚反应,在水凝胶中重复写入或擦除图案化梯度结构,形成卷曲、圆柱螺旋、锯齿、扭转螺旋等四种构型。相关研究成果以Reconstructable gradient structures and reprogrammable 3D deformations of hydrogels with coumarin units as the photolabile crosslinks为题发表于Advanced Materials。博士生朱超南为第一作者,吴子良研究员为通讯作者,合作者包括浙江大学黄飞鹤教授、南方科技大学洪伟教授。文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008057

关键词:凝胶梯度交联PESC中国聚合物网2021-07-12

西安交大唐敬达副教授等研发水凝胶磁热驱动变形及磁热疗技术

导读:磁性软体变形结构具有远程驱动、无约束、操控性强及可穿透封闭空间的优势,在软体机器人以及生物医疗等领域展现出较大的潜力。近年来,关于磁性软体变形结构的研究层出不穷,成为软体机器人的研究热点。水凝胶作为常见的软材料,具有良好的生物相容性、刺激响应性的特点,是制造软体机器人的良好材料。然而关于磁性水凝胶的变形结构鲜有报道,因为水凝胶含有大量水分,磁粉含量有限,磁化强度较低,难以在静态磁场中驱动。针对此问题,西安交通大学航天航空学院唐敬达副教授等人,采用直写打印制备了磁性水凝胶/硅橡胶的异质结构,利用磁性温敏水凝胶的磁热效应实现了复杂变形,并展示了该变形结构在磁热疗方面的初步应用。 研究成果以“Programmable shape transformation of 3D printed magnetic hydrogel composite for hyperthermia cancer therapy”为题发表在《Extreme Mechanics Letters》上。研究人员基于课题组之前的3D打印异质结构的强韧粘接技术(Adv. Funct. Mater. 2019, 1901721)和水凝胶磁热驱动变形原理(ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019, 11, 21194?21200),提出了磁性水凝胶/硅橡胶异质变形结构的3D打印方法。为实现水凝胶磁控复杂变形结构,需要对磁性水凝胶的打印性能、力学性能、磁学性能和粘接性能四个方面进行调控。图1 磁性水凝胶/硅橡胶异质变形结构的3D打印首先打印了磁性水凝胶的复杂结构及磁性水凝胶/硅橡胶异质结构,通过拉伸 “熊猫”图案,直观地展示了磁性水凝胶/硅橡胶异质结构具有良好的界面粘接性能,为水凝胶磁控复杂变形结构的制造奠定了基础。图2 磁性水凝胶与磁性水凝胶/硅橡胶异质结构其次,作者对磁性水凝胶的磁学性能、力学性能和粘接性能进行了定量表征。图3 磁性水凝胶的磁学、力学、粘接性能设计了多种磁性水凝胶/硅橡胶异质结构,通过3D打印的方式予以实现,在动态磁场中驱动变形。 图4水凝胶磁控复杂变形结构最后,开展了水凝胶磁控变形结构包裹肿瘤细胞(黑色素瘤细胞),并进行磁热疗的体外细胞实验,结果表明该变形结构对肿瘤细胞的杀死率高达50%。图5水凝胶磁控变形结构包裹肿瘤细胞进行磁热疗该研究工作发表于Extreme Mechanics Letters。西安交通大学唐敬达副教授为第一作者,王铁军教授为通讯作者。西安交大前沿院郭保林教授为论文合作作者。论文信息及链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352431621000778作者简介:唐敬达,西安交通大学副教授,北京大学与哈佛大学联合培养博士(导师为方岱宁院士和锁志刚院士),2017年进入西安交通大学航天航空学院工作,在软物质力学领域开展研究。发表论文20余篇,其中以第一/通讯作者发表在Matter,J. Mech. Phys. Solids, Adv. Funct. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上。下载:Programmable shape transformation of 3D printed magnetic hydrogel composite for hyperthermia cancer therapy

关键词:凝胶磁性异质硅橡胶软体粘接中国聚合物网2021-07-12

上海科技大学凌盛杰教授课题组与合作者利用二元溶剂交换诱导自组装法制备出双折射丝蛋白水凝胶

导读:近日上海科技大学物质学院凌盛杰教授课题组与加州大学伯克利分校Grace X. Gu教授及康奈尔大学的Jingjie Yeo教授合作,利用二元溶剂交换诱导自组装法(BSEISA)制备出双折射丝蛋白水凝胶(BSEISA-SFHs)。应力场下该凝胶双折射条纹的动态演变与其内部应力分布变化一致,具有揭示生物组织力学行为的潜力。该研究成果以“Birefringent silk fibroin hydrogel constructed via binary solvent exchange induced self-assembly”为题发表于国际期刊Biomacromolecules上。各向异性材料或者某些各向同性材料在力场、电场或磁场的作用下时具有双折射效应,在偏振光下会显现出独特的颜色,可用来揭示材料内部的取向程度或者应力分布情况。生物组织的内部应力分布对于组织工程及人造器官等领域较为重要,但目前市场上大多使用的是硬质双折射材料,其力学性能与生物组织不相匹配。因此设计开发出一种力学性能与生物组织相接近的双折射水凝胶具有重要意义。基于以上背景,这项研究中合理设计了一种“双溶剂交换诱导自组装”的双折射蚕丝蛋白水凝胶的生产策略。使得控制蚕丝蛋白的构象和取向提供了可能,合成的材料透明且具有双折射特性,具有类似于生物组织(如软骨)的机械特性。有望成为了解生物组织力学响应的良好模型。凌盛杰教授课题组首先设计了二元溶剂交换诱导自组装的方法,其中离子液体([BMIM]Cl)作为第一种溶剂溶解蚕丝,并选用具有合适的诱导丝蛋白构象转变速度且与[BMIM]Cl互溶的溶剂作为第二种溶剂,诱导自组装形成BSEISA-SFHs。BSEISA-SFHs的制备过程及结构表征。(A)BSEISA-SFHs的制备方法示意图。(B)凝胶过程二元溶剂交换诱导自组装示意图。(C)偏光下BSEISA-SFHs照片。(D)BSEISA-SFHs的断面SEM图像。 合作者Jingjie Yeo教授团队通过replica exchange molecular dynamics (REMD)模拟探究丝蛋白在[BMIM]Cl/ CH3OH和[BMIM]Cl/ HCOOH体系中的变化情况,与后者相比,[BMIM]Cl/ CH3OH体系具有更高的β-折叠含量以及更低的回转半径和溶剂可及表面积,得到的BSEISA-SFHs结构更稳定。因此[BMIM]Cl/ CH3OH最终被选用为所使用的二元溶剂体系,其所制备出的BSEISA-SFHs孔径为7-10 μm,满足实现光学透明所需要的条件;同时甲醇蒸汽的定向渗透以及较为缓慢的构象转变速度有利于各向异性结构的形成,二者共同为实现双折射水凝胶提供了光学条件和结构特性。REMD模拟探究BSEISA对丝蛋白结构的影响。(A) 丝蛋白在各自溶剂中的有序结构的百分比,其余为无序结构(未显示)以及它们的(B)旋转半径。(C)溶剂可达表面积,(D)分子间和分子内氢键的数目。(E-G)样品与(E) [BMIM]Cl反应,然后加入(F)甲酸或(G)甲醇后最密集团簇的构象。 研究中对所制备出的BSEISA-SFHs进行力学测试并与生物组织的力学性能进行对比。实验证明,BSEISA-SFHs的弹性模量和断裂应变与皮肤、软骨以及晶状体等生物组织能够很好地匹配,并且其还能够承受一定程度的变形量,具有良好的形状恢复性能和抗疲劳特性,这为其能成为组织替代物提供了力学条件。研究中进一步对BSEISA-SFHs的双折射特性进行了系统探究。通过SAXS和WAXS证明了材料结构的取向性,并且不同位置的取向度不同,进而造成BSEISA-SFHs中不同位置显现出不同的颜色。同时发现在拉伸过程中,这种由于外力造成的取向度改变使得双折射条纹颜色也随之变化,并且与合作者Grace X. Gu教授团队利用有限元分析得出的应力分布情况是相吻合的,当外部应力去除时,双折射条纹会回到其初始状态。这种光学-力学相对应的反应和水凝胶的力学性能与生物组织相一致这一条件相结合,证明了BSEISA-SFHs具有作为生物组织替代物去揭示生物组织的力学响应以及失效行为的潜力。BSEISA-SFHs的结构和双折射特性。(A)BSEISA-SFHs的双折射图案和相应的内部结构监测。(B)WAXS的径向赤道强度曲线和SAXS的方位角曲线。(C和D)有限元分析模拟的应力分布和对应的BSEISA-SFHs的双折射条纹演变。左:应变0%,右:应变8%。 本论文第一作者为上海科技大学物质学院2019级研究生疏婷、安徽农业大学林业与园林学院生物质分子工程中心郑可副教授及加州大学伯克利分校机械工程系张志洲,通讯作者是上海科技大学凌盛杰教授、加州大学伯克利分校Grace X. Gu教授及康奈尔大学Jingjie Yeo教授。上海科技大学为第一完成单位。该项研究得到了国家自然科学基金、安徽省自然科学基金的资助。同时得到上科大电镜中心、上科大分析测试中心、上海同步辐射光源以及中国科技大学同步辐射实验室(合肥国家同步辐射实验室)的支持。文章链接:https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.biomac.1c00065

关键词:BSEISASFHs溶剂生物BMIM凝胶蛋白Cl诱导中国聚合物网2021-07-12

UCLA贺曦敏教授和上交大朱新远教授AM:利用离子特异性制备力学性能大范围可调的水凝胶

导读:水凝胶在组织工程、药物输送、可植入电子、能量存储、涂料、粘合剂、软体机器人等领域有着广泛的应用。在实际应用中,不同的应用场景对水凝胶的力学性能有着不同的要求。例如,软机器人需要强韧的水凝胶;在细胞培养中,水凝胶的弹性模量应与细胞的弹性模量相同,以促进细胞与水凝胶之间的粘附;神经探针需要力学性能原位可调的材料,起初模量较大,便于植入脑组织,随后变软,以避免对邻近的神经元细胞造成损害或发炎。为了满足以上不同的需求,通常需要使用不同的高分子,通过精细控制配方和制备过程来满足相应需求。如何简单快速地制备能满足不同需求的水凝胶,还有待进一步探索。针对以上需求,UCLA贺曦敏团队和上海交通大学朱新远团队提出通过不同离子的特异性来制备力学性能可调的水凝胶。通常,离子、高分子链和高分子水合水之间存在三种可能的相互作用,如图1a所示。首先,一些离子可以极化水合水,从而破坏分子链与其水合水之间的氢键(图1a1)。其次,某些离子会通过增加分子链周围的表面张力来增强分子链的疏水性(图1a2)。第三,其他阴离子可以直接结合,使得分子链的极性增强,从而增加了聚合物的溶解度(图1a3)。具体来说,诸如SO42-和CO32-之类的离子表现出第一和第二效应,并可能导致聚合物析出,高分子发生聚集/结晶(图1b)。其他离子,如NO3- 和I- ,则表现出第三种相互作用,溶解度增加(图1c)。为了系统地研究不同的影响,根据Hofmeister序列选择了多种钠盐和氯盐,观察聚乙烯醇(PVA)在盐溶液中的状态。当 Na2SO4浓度高于0.5 M,PVA在盐水中形成凝胶,但在NaI溶液中,即使离子浓度升高到3 M,PVA仍保持溶液状态。通过比较5 wt%PVA形成凝胶时的盐溶液浓度,PVA 在盐溶液中形成凝胶的难易程度遵循序列:SO42- CO32- Ac- Cl-NO3- I-。阳离子对PVA的凝胶化具有相似的特异性作,其序列为K+ Na+≈Cs+ Li+≈Ca2+≈Mg2+。通过系统的实验,获得了PVA形成凝胶所需的离子和其浓度条件,如图1 d和e所示。 图1. 不同离子与分子链和水合水的相互作用。蓝色和黄色区域分别指代可否形成凝胶的条件。不同离子和PVA分子链的不同作用使得分子链之间的聚集状态不同,其可用于调节PVA水凝胶的机械性能。为了证实这一点,首先利用三次冻融循环制备PVA凝胶,然后在不同盐溶液中浸泡24小时。在不同阴离子作用下,PVA水凝胶力学性能顺序为:SO42- CO32- Ac- Cl- NO3- I-(图2a),阳离子系列:K+ Na+≈Cs+ Li+ Ca2+≈Mg2+ (图2b)。与此同时,离子浓度对PVA水凝胶力学性能也有着显著的影响(图2c)。通过改变离子种类和浓度,PVA水凝胶的力学性能得到了大范围的调控:拉伸强度从50±9 kPa到15±1 MPa,韧性从0.0167±0.003 MJ /m3到150±20 MJ/m3,延伸率从300±100%至2100±300%,模量从24±2 kPa至2500±140 kPa。其中,用饱和Na2SO4浸泡的水凝胶显示出极优秀的力学性能,不仅优于先前报道的大多数水凝胶,其韧性还优于PDMS、合成橡胶和天然蜘蛛丝(图2d和e)。此外,通过改变离子或离子浓度,可以容易地在大约24 kPa至2500 kPa的大范围内调节PVA水凝胶的模量,其涵盖了人体软组织的所有模量(图2f)。 图2. 不同盐溶液浸泡后PVA水凝胶的力学性能。PVA水凝胶的形成归功于分子链之间的氢键,而不同离子可以调控氢键的形成与否。这意味着通过改变溶液中离子种类,凝胶的模量可以被原位调节,使得PVA水凝胶在神经探针方面有潜在的应用。如图2a所示,PVA水凝胶探针被Na2SO4增强后时,其可以穿透模拟大脑组织的聚丙烯酰胺水凝胶,而经CaCl2浸泡的凝胶探针不能插入聚丙烯酰胺水凝胶。此外,为了验证凝胶探针可被原位调控模量,即在“植入”后可以软化水凝胶,将插入模拟大脑的水凝胶中的水凝胶探针浸泡在2 M Fe(NO3)3溶液中。如图2b所示,最初的白色水凝胶探针在浸泡220分钟后逐渐变为透明,表明即使被约束在另一个基质中,PVA水凝胶探针也可以被离子原位软化。图3. 凝胶在盐溶液中原位软化用于调控水凝胶力学性能的离子不是水凝胶的组分。因此,在离子溶液中浸泡处理后,其可被完全洗出,最终的无离子PVA水凝胶可以很好地保持其力学性能和非常理想的生物相容性,而不会受制备水凝胶时使用离子的影响。此外,该调控凝胶力学性能的方法可用于明胶等其他高分子材料。通过这种简便的方法来大范围调控凝胶力学性能,有望满足从生物医学到软体机器人技术和可穿戴电子产品等多个领域的需求。以上研究成果近期发表在Advanced materials上。论文的第一作者为UCLA和上海交大共同培养博后吴书旺,共同第一作者为UCLA博士生华牧天,通讯作者为贺曦敏教授,共同通讯作者为上海交通大学化学化工学院朱新远教授。论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202007829通讯作者简介:贺曦敏是加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系的助理教授和加州纳米体系研究所(CNSI)的成员。她在剑桥大学获得博士学位并在哈佛大学进行博士后研究。她的主要研包括刺激响应性材料,仿生功能材料,化学和生物传感器,驱动器等,并将其应用于生物医药、环境、机器人和能源领域。她已经在Nature, Nature Chemistry, Science Robotics, Nature Nanotechnology, Science Advances等杂志发表了60余篇高水平论文、书籍和专利。她获得的荣誉包括美国CIFAR Azrieli Global Scholar, International Society of Bionic Engineering (ISBE) Outstanding Youth Award, National Science Foundation CAREER Award, Air Force Office of Scientific Research Young Investigator Program (AFOSR YIP) Award, Hellman Fellows Award, 以及UCLA Faculty Career Development Award.她的主要研包括生物启发的功能材料,特别是刺激响应性水凝胶和智能材料用于化学和生物传感、软体机器人和能源领域。她关于自调制材料和化学-机械分子分离的研究获得了一系列地区和国际的奖励,并且受到了百余家新闻媒体报道。课题组网页:http://www.seas.ucla.edu/xhe-lab/index.html

关键词:凝胶离子PVA分子浓度盐溶液中国聚合物网2021-07-12

南方科技大学任富增课题组《AFM》:源于仿生的高度各向异性、超强且具有骨传导性的矿化木材水凝胶复合材料,用于骨修复

导读:模仿生物组织的各向异性水凝胶在耐损伤性、细胞引导和物质运输中起着至关重要的作用。然而,常规化学交联制备的水凝胶通常具有各向同性的网络结构、机械性能不足,而且缺乏骨传导性,这极大地限制了其在骨修复中的应用。最近,南方科技大学任富增课题组受天然骨和木材精巧、有序、定向的多尺度多级结构启发,提出了一种“从木材到人工骨”的仿生设计策略,该策略将具有良好生物相容性的水凝胶真空浸渍到脱木质素的木材模板中,再原位矿化羟基磷灰石(HAp)纳米晶体,得到了一种高度各向异性、超强且具有骨传导性的水凝胶复合材料,可用于骨缺损修复。该研究成果以Bioinspired Highly Anisotropic, Ultrastrong and Stiff, and Osteoconductive Mineralized Wood Hydrogel Composites for Bone Repair为论文题目发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202010068)上。图1. 基于天然骨和木材制备各向异性水凝胶复合材料的设计策略。(a)骨骼组织各向异性的多层组装结构示意图;(b)水凝胶复合材料的制备方法及微观结构示意图。 研究者们通过对复合水凝胶的微观形貌、物相及结构进行研究后发现,脱木质素处理保留了天然木材纤维的高取向度,并创造了供水凝胶渗透的多孔结构。真空浸润可将海藻酸盐水凝胶均匀填充在纤维的间隙。原位矿化的羟基磷灰石纳米晶体主要沉积在海藻酸盐水凝胶上,并沿着纤维骨架取向排列,均匀分布于复合水凝胶基体中。图2. 结构、成分表征:(a-b) 天然松木的横截面及纵截面结构;(c)脱木质素前后木材各组分含量变化;(d-e)脱木素后模板的横截面及纵截面结构;(f)脱木质素前后模板的XRD图谱;(g-i)模板填充水凝胶后的微观结构;(j)沉积HAp后复合水凝胶的微观结构;(k)水凝胶复合HAp的TEM图及对应的选区电子衍射斑;(l)复合水凝胶中HAp的三维分布;(m)复合水凝胶的2D SAXS图。 由于纤维素与海藻酸盐之间的氢键作用以及在基体内均匀分布的Hap纳米晶体填充效应,该复合水凝胶表现出超强的力学性能,沿纤维取向方向的拉伸强度高达67.8 MPa,弹性模量达到670 MPa,比常规化学交联水凝胶高3个数量级,并超过大多数的强韧水凝胶材料,与天然骨的强度接近。在平行取向方向,水凝胶拉伸强度为13.2 MPa,弹性模量为7.4 MPa,表现出显著的各向异性。图3. 化学处理后的木材(WW)、木材水凝胶(WH)、HAp矿化的木材水凝胶(MWH)复合材料力学性能对比:(a-c) 分别为WW、WH及MWH沿纤维取向L和垂直纤维取向R的拉伸应力-应变曲线;(d-e)拉伸强度和弹性模量对比;(f) 本研究制备的MWH与其他具有代表性的水凝胶材料、软骨、骨组织的机械强度及弹性模量对比;(h) 海藻酸盐水凝胶与纤维素分子间的氢键结合。 纳米HAp的定向有序沉积赋予了此木材水凝胶复合材料独特的生物功能性,不仅改善了成骨细胞在WH上的增殖和粘附,并成功诱导细胞向成骨分化。研究结果表明,在定向沉积纳米HAp的WMH上,成骨细胞沿着纤维模板呈明显的伸长形态,伸展的细胞丝状伪与HAp纳米晶体紧密粘附。成骨细胞中RHoA、Integrin α5、β1基因表达的显著上调证明了MWH复合材料有序的有机/无机复合界面能有效刺激细胞-基质信号传导,调控细胞骨架张力,最终诱导细胞向成骨分化。与未定向沉积HAp的WH相比,MWH上成骨细胞的ALP活性、成骨标志性基因表达和表面矿化的程度均明显上升,证明了HAp原位矿化的木材水凝胶复合材料优异的促成骨功能性。图4. 木材水凝胶复合材料的体外细胞相容性及促成骨性能表征:(a) 成骨细胞在WW、WH及MWH上的增殖对比;(b-c)成骨细胞在WH、MWH上黏附的细胞骨架形态;(d-f) 成骨细胞在WH、MWH上的细胞形貌及细胞丝状伪足;(g) 成骨细胞整合素相关基因表达;(h) 成骨细胞ALP活性测定;(i-j) 成骨相关标志性基因表达;(k-l) 成骨细胞在WH、MWH上的矿化染色及定量分析。 研究者们将水凝胶复合材料植入到兔股骨缺损模型,以验证材料对骨缺损的体内修复效果。结果发现,经矿化HAp的木材水凝胶俯复合支架在植入后能有效诱导新骨在支架界面生长,提高了支架的骨整合性。支架与原生骨之间没有观察到空隙或纤维过渡组织,新骨能从支架界面逐渐向内生长,证明了该矿化的木材水凝胶复合材料优异的骨传导性。图5. 木材水凝胶复合材料在兔股骨缺损模型中的骨修复效果: (a) 动物手术示意图;(b-d) Micro-CT表征新骨在缺损部位的生成以及缺损模型的BMD和BV/TV的定量分析;(e-f)缺损模型植入支架后的组织形态学分析。 论文共同第一作者为南方科技大学材料科学与工程系、前沿与交叉科学研究院研究助理教授王晓飞和材料科学与工程系研究助理教授方驹,通讯作者为任富增副教授。研究工作得到了国家重点研发计划(2016YFB0700803)和深圳市基础研究项目( JCYJ20190809140401658)的支持。论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010068

关键词:凝胶木材成骨细胞MWH纤维细胞中国聚合物网2021-07-12

孟祥康教授课题组在碳纳米管金属复合材料研究方面取得进展

导读:随着电子器件的小型化、智能化和使用环境的复杂化,普通的金属导体材料已经不能满足电子器件的发展需求,研究和开发下一代导体材料成为研究人员的目标之一。碳纳米管因为具有良好的导电性、耐蚀性、低密度和机械强度,是最具潜力的下一代导体材料。但是,由于碳纳米管之间弱的范德华力和明显电子、声子散射,当碳纳米管组成宏观结构(例如碳纳米管纤维和薄膜)时,电学和力学性能都会有很大的损失。目前,研究人员主要通过在碳纳米管宏观体表面沉积金属来改善电导率,但该方法致使复合材料强度降低。针对这一问题,我校现代工程与应用科学学院孟祥康教授课题组通过磁控溅射工艺在碳纳米管纤维表面沉积超薄的铝-铜复合薄膜并经退火与致密化处理,使金属元素扩散至碳纳米管纤维内部形成纳米颗粒达到降低碳纳米管间的接触电阻的目的,显著提高了复合材料电导率。拉伸变形时,分布在碳纳米管间的颗粒起到“桥接”的作用,分布在顶端的颗粒会起到“钉扎”作用,两种纳米颗粒增加了碳纳米管之间的滑移阻力,从而显著提高了复合材料抗拉强度和弹性模量。该结构实现了碳纳米管金属复合材料电导率和强度的同时增加,获得了具有超高强度(6.6 GPa)、弹性模量(500 GPa)和电导率(1.8*107 S/m)的碳纳米管铝-铜纳米复合材料。(科学技术处 摄影)碳纳米管/铝-铜复合纤维形貌和微观结构、电导率vs强度关系及单轴拉伸增强机理这项工作为碳纳米管复合材料的设计提供了新的思路并推动了碳纳米管金属复合材料制备技术的发展。该工作以“Ultrastrong and Stiff Carbon Nanotube/Aluminum−Copper Nanocomposite via Enhancing Friction between Carbon Nanotubes”为题已在纳米领域权威期刊Nano Letters发表(DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b02332),一作和通讯作者单位均为南京大学,现代工程与应用科学学院博士生王耿洁为第一作者,操振华副研究员和孟祥康教授为通讯作者。(现代工程与应用科学学院 科学技术处)分享: 微信扫一扫:分享微信里点“发现”,扫一下二维码便可将本文分享至朋友圈。

关键词:碳纳米管复合材料强度电导率颗粒金属纤维结构南京大学2021-07-09

张红雨教授课题组:《Angew. Chem. Int. Ed.》双重刺激弯曲响应性质的有机小分子晶体

导读:有机柔性材料作为新型有机材料在柔性器件,可穿戴设备等领域具有潜在的应用价值而受到广泛关注。传统有机分子晶体在外力的作用下容易发生断裂或破碎,因此阻碍了其在柔性元件方面的应用。有机小分子柔性晶体的发现弥补了这一不足,有机小分子化合物来源广,易合成提纯以及大量制备晶体。近些年来光波导领域的发展又为有机弹性晶体开辟了新的应用领域。张红雨课题组设计合成了一种简单的有机小分子CN-DPVB,其晶体在外力的作用下表现出良好的弹性并且在盐酸氛围下也会发生弯曲现象(图1)。作者通过三点弯曲,光谱,拉曼光谱等一些测试手段,对晶体结构与功能的关系进行了深入的研究,同时为新型有机弹性晶体的设计提供了新思路。 作者通过一步简单的反应制备了化合物CN-DPVB,并通过1,2-二氯乙烷/乙醇体系重结晶得到大量橘黄色针状晶体。CN-DPVB化合物在溶液中不具有发光性质,其晶体呈较亮的黄色荧光发射,荧光发射峰位于556 nm处,荧光量子效率为0.19,荧光寿命为2.69 ns。如图1所示,CN-DPVB晶体在外力的作用下显示出良好的弹性。通过万能材料机作者测得CN-DPVB晶体的弹性模量平均值为0.905 GPa,较小的弹性模量数据表明这种晶体材料具有良好的弹性。同时我们进行了柔性晶体光波导性质的研究,较低的光损耗系数表明CN-DPVB晶体在这方面具有潜在的应用价值。除了外部应力的刺激响应外,CN-DPVB晶体在浓盐酸氛围下同样会发生弯曲现象(图1)。作者通过重结晶获得了CN-DPVB晶体与HCl质子化后的CN-DPVB•HCl晶体。通过对CN-DPVB与CN-DPVB•HCl晶体的研究,借助核磁、拉曼光谱等手段,作者发现当晶体置于浓盐酸氛围时CN-DPVB与氯化氢反应后导致二甲氨基发生了剧烈旋转,增大了分子间的距离,使晶体变得“膨胀”,最终呈现弯曲的形状。 综上所述,作者报道了一种双重弯曲刺激响应的有机小分子晶体CN-DPVB。晶体在外部应力作用下具有良好的弹性,在盐酸气氛下也会发生明显的弯曲现象。因此这种晶体材料有望应用于大面积可穿戴设备与柔性器件等领域。不仅如此,CN-DPVB晶体在正常与物理弯曲状态下均实现了低损耗光波导,这种性质使得这种晶体材料在有机光波导与有机传感器等领域同样具有潜在的应用价值。这项研究为新型有机材料的开发提供了新的思路,在未来有望开发出更多不同类型的多重刺激响应响应有机晶体并将其应用于多个领域。图:单晶受力物理弯曲过程(上)及盐酸气氛中的化学弯曲过程(下) 文章详情:Zhuoqun Lu, Yuping Zhang, Hao Liu, Kaiqi Ye, Wentao Liu, Hongyu Zhang*Angew. Chem. Int. Ed.2020, 59,4299. 原文链接:https://doi.org/10.1002/anie.201914026

关键词:有机柔性材料新型有机材料可穿戴设备有机分子晶体拉曼光谱新型有机弹性晶体晶体材料吉林大学2021-06-24

金属所在晶界-表面截交线对强度的作用研究中获进展

导读:作为两种面缺陷间的几何交线,表面-晶界截交线(surface triple junction或STJ)是多晶体材料表面上的常见线缺陷。在块体材料中,位于STJ的原子体积分量极低,其对材料整体强度的贡献几乎可以忽略。随着材料尺寸降低至亚微米甚至纳米尺度(如薄膜、纳米线等),STJ原子体积分量急剧上升。然而,这一特殊线缺陷是否影响以及如何影响材料力学性能尚无定论。如何将STJ对材料强度的贡献从表面及晶界效应中分离出来,颇具挑战。近日,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心研究员金海军团队在上述问题的研究中取得进展。该团队在电化学环境下进行原位压缩实验,比较纳米晶和粗晶纳米多孔金属的力学行为,分离出纳米金属强度的STJ效应,并确定其开始发挥作用的临界尺寸。相关研究成果以Surface triple junction governs the strength of a nanoscale solid为题,发表在《物理评论快报》上。该研究采用两种特征样品:一种是含有大量表面、晶界和STJ的纳米晶纳米多孔金样品;另一种是含有大量表面,但晶界与STJ极少的粗晶纳米多孔金样品。由于晶界对电化学修饰不敏感,通过电化学控制表面状态并观察其对强度的影响,即可在纳米晶纳米多孔金中测得“STJ效应+表面效应”,即STJ与表面对强度的共同作用;作为参照实验,在粗晶纳米多孔金中则可测得“表面效应”。比较“STJ效应+表面效应”与“表面效应”,发现两者在百纳米以上基本重合,而在百纳米以下显著分离(图2)。这说明在约100纳米以下,STJ开始对材料强度发挥作用。透射电镜等实验表明,STJ有可能作为位错的优先形核位置影响纳米材料变形行为与力学性能。研究表明,STJ及更广义上的三叉晶界线并非简单的面缺陷间几何交线,而是影响材料性能的重要结构参量。该研究为理解纳米金属力学行为,实现力学性能的控制与优化提供重要信息。该研究由金属所博士研究生张烨元(论文第一作者)、特别研究助理解辉、副研究员刘凌志和研究员金海军(论文通讯作者)共同完成。研究工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助。图1.纳米晶纳米多孔金的(a)TEM图像和选区电子衍射(SAED)图案,(b)PED取向图及(c)结构示意图。粗晶纳米多孔金(d)TEM图像和SAED图案,(e)EBSD取向图及(f)结构示意图。Surf:固体表面、GB:晶界、STJ:表面-晶界截交线图2.a、电化学控制原位压缩实验装置示意图,b、典型的纳米晶纳米多孔金随表面状态改变的原位压缩曲线,c、纳米晶和粗晶纳米多孔金氧吸附产生的流变应力变化幅度随孔棱尺寸的变化规律

关键词:晶界-表面截交线多晶体材料STJ原子体积分量中国科学院2021-06-17

武汉岩土所泡沫混凝土材料特性及其在岩土工程中的应用研究取得进展

导读:泡沫混凝土是一种多功能大宗无机轻质材料,具有轻质、保温、隔热、吸声、隔声、耐火等功能,广泛应用于岩土工程领域。我国目前使用泡沫混凝土总量居全球第一,约在5000万立方米以上,且年均增长率约为15%~20%。近十年来,在陈卫忠研究员的带领下,武汉岩土所施工过程力学组谭贤君、赵武胜、田洪铭、伍国军、袁敬强等研究人员,在泡沫混凝土配合比设计方法、物理力学特征、抗震特性、现场施工设备与工艺等方面开展了大量室内试验、理论分析、数值仿真与现场应用方面的研究。分别以干密度和湿密度为控制标准,提出了两种泡沫混凝土配合比设计方法。建立了能同时考虑高径比和密度影响的泡沫混凝土抗压强度和弹性模量预测模型。采用微米CT三维图像重构技术与Simpleware软件相结合的方法,揭示了不同密度泡沫混凝土渗透特征演化规律。此外,针对特殊工况需求,研发了两种新型泡沫混凝土材料:抗冻融泡沫混凝土和高强泡沫混凝土。相关研究成果发表出版专著1部,在Tunnelling and Underground Space Technology (Top期刊,IF:4.45)、 Construction and Building Materials(Top期刊,IF:4.419)等国内外知名期刊上发表SCI期刊论文15篇、EI论文6篇;授权/撰写国家发明专利9项;参编国家标准1项、行业/团体标准2项。目前已经在10余项重大工程中得到应用,产生了显著的经济与社会效益。研究成果得到国家自然科学基金优秀青年基金项目(批准号:51922104)、中国科学院重点部署项目(批准号:KFZD-SW-423)和中国科学院创新促进会优秀会员等资助。图1 250kg/m3密度泡沫混凝土破坏形态与变形特征图2 泡沫混凝土煤矿井下施工设备研发图3 部分典型工程应用 (文/图 施工过程组)

关键词:泡沫混凝土密度施工特征方法期刊工程中国科学院武汉分院2021-06-16

晶界-表面截交线对强度的作用研究取得重要进展

导读:作为两种面缺陷间的几何交线,表面-晶界截交线(surface triple junction或STJ)是多晶体材料表面上的常见线缺陷。在块体材料中,位于STJ的原子体积分量极低,其对材料整体强度的贡献几乎可以忽略。随着材料尺寸降低至亚微米甚至纳米尺度(如薄膜、纳米线等),STJ原子体积分量急剧上升。但这一特殊线缺陷是否以及如何影响材料力学性能尚无定论。如何将STJ对材料强度的贡献从表面及晶界效应中分离出来也是一个巨大挑战。最近,金属所沈阳材料科学国家研究中心金海军研究员团队在这一问题上取得进展。该团队在电化学环境下进行原位压缩实验,比较纳米晶和粗晶纳米多孔金属的力学行为,成功分离出纳米金属强度的STJ效应,并确定其开始发挥作用的临界尺寸。相关成果以“Surface triple junction governs the strength of a nanoscale solid”为题发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。该研究采用两种特征样品:一种是含有大量表面、晶界和STJ的纳米晶纳米多孔金样品;另一种是含有大量表面,但晶界与STJ极少的粗晶纳米多孔金样品。由于晶界对电化学修饰不敏感,通过电化学控制表面状态并观察其对强度的影响,即可在纳米晶纳米多孔金中测得“STJ效应+表面效应”,即STJ与表面对强度的共同作用;作为参照实验,在粗晶纳米多孔金中则可测得“表面效应”。比较“STJ效应+表面效应”与“表面效应”,发现两者在百纳米以上基本重合,而在百纳米以下显著分离(见图2)。这说明在约100纳米以下,STJ开始对材料强度发挥作用。透射电镜等实验表明,STJ有可能作为位错的优先形核位置影响纳米材料变形行为与力学性能。本研究表明STJ以及更广义上的三叉晶界线并非简单的面缺陷间几何交线,而是影响材料性能的重要结构参量。该研究为理解纳米金属力学行为,实现力学性能的控制与优化提供重要信息。该工作由张烨元博士研究生(第一作者)、解辉特别研究助理、刘凌志副研究员和金海军研究员(通讯作者)共同完成。该研究得到国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助。图1:纳米晶纳米多孔金的a)TEM图像和选区电子衍射( SAED )图案,b)PED取向图及c)结构示意图。粗晶纳米多孔金d)TEM图像和SAED图案,e)EBSD取向图及f)结构示意图。Surf:固体表面。GB:晶界。STJ:表面-晶界截交线。图2:a)电化学控制原位压缩实验装置示意图,b)典型的纳米晶纳米多孔金随表面状态改变的原位压缩曲线,c)纳米晶和粗晶纳米多孔金氧吸附产生的流变应力变化幅度随孔棱尺寸的变化规律。

关键词:纳米晶粗晶纳米晶界-表面截交线中国科学院2021-06-16

技术转移案例
  • 项目名称: 炭素生产过程中沥青烟气和煤粉混合废气的无害化处理

    需方:宁夏宁平炭素有限责任公司

    供方:浙江大学

    服务亮点:企业点餐“提需求”,校企联合破短板

  • 项目名称: 复杂条件下城际轨道交通地下结构施工关键技术研究

    需方:中建八局轨道交通建设有限公司

    供方:东南大学

    服务亮点:大数据工具提升匹配效率,线下对接促合作

  • 项目名称: 姜粉在缓解炎症性肠病以及调节肠道菌群紊乱中的应用

    需方:福建龙植生物科技有限公司

    供方:上海大学

    服务亮点:提供支撑环节服务,发挥指引衔接效用

  • 项目名称: 酸性废水无害化处理或酸提浓回收的可行工艺

    需方:江西拓泓新材料有限公司

    供方:南京霖厚环保有限公司

    服务亮点:对接调研,专家“把脉”,推动双方项目合作落地