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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽(yáng)系系主任
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轉(zhuǎn)換研究方向僅4年，中國(guó)博后收獲首篇Nature
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轉(zhuǎn)換研究方向僅4年，中國(guó)博后收獲首篇Nature “如果我當(dāng)時(shí)粗心一些，可能就會(huì)錯(cuò)過這個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)�！� 4年前，美國(guó)北卡羅來納州立大學(xué)博士后王美香正在實(shí)驗(yàn)室用不同的高分子聚合物進(jìn)行測(cè)試，試圖通過原位相分離機(jī)理制備高強(qiáng)度離子液體凝膠。偶然間，一個(gè)極其堅(jiān)硬、具有強(qiáng)大黏附性和良好延展性的凝膠材料引起了她的注意。然而，由于該課題項(xiàng)目需要盡快結(jié)束，王美香只好把這個(gè)意外發(fā)現(xiàn)擱置一旁，轉(zhuǎn)而再次投入相分離項(xiàng)目的研究。 4年后，王美香以第一作者身份發(fā)表了人生中的首篇Nature。這項(xiàng)研究成果正是源于4年前的那個(gè)偶然發(fā)現(xiàn)。 在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種獨(dú)特的高分子材料——“玻璃態(tài)凝膠”，它含有超過50%的液體，兼具玻璃態(tài)聚合物和凝膠的理想性能，并且相比具有同等力學(xué)特性的普通塑料，其是更高效的電導(dǎo)體。北卡羅來納州立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系教授Michael D. Dickey為該論文的通訊作者。 圖片 王美香受訪者供圖 一種力學(xué)特性矛盾的新材料 玻璃態(tài)聚合物通常具有高硬度（約1 GPa模量）和高強(qiáng)度（斷裂強(qiáng)度10-100 MPa）的特性，在許多消費(fèi)品中都有廣泛應(yīng)用。但是這類材料延展性有限，在受力時(shí)容易發(fā)生脆性斷裂或小變形下的塑性形變。 經(jīng)過溶劑溶脹后，玻璃態(tài)聚合物會(huì)變成柔軟而脆弱的凝膠。例如，隱形眼鏡和果凍都是通過水溶脹的聚合物水凝膠。雖然延展性隨之增強(qiáng)，但是由于其強(qiáng)度和硬度較低，不適用于高強(qiáng)度和耐用性材料，特別是水凝膠在干燥條件下可能會(huì)因?yàn)槭テ淙彳浶院凸δ苄浴?br /> 這樣顯著的性能變化，源于溶劑增加了高分子鏈間的自由體積�！案叻肿泳酆衔锏木W(wǎng)絡(luò)鏈就像多孔的漁網(wǎng)，漁網(wǎng)中的每個(gè)網(wǎng)線代表了高分子鏈。在沒有溶劑的情況下，高分子鏈之間緊密排列，形成非共價(jià)鍵的作用力，鏈間自由體積很小，使得材料表現(xiàn)出剛性和脆性的特性。當(dāng)加入溶劑時(shí)，溶劑分子會(huì)圍繞在每一根高分子鏈周圍，導(dǎo)致鏈間的自由體積增加，高分子鏈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)因此變得更容易，從而使得材料變得更柔韌�！蓖趺老憬忉尩�。 要知道，一項(xiàng)材料很難同時(shí)兼具高硬度和高延展性，因?yàn)閺牧W(xué)角度來看，這是相互矛盾的。 然而，在最新發(fā)表的研究成果中，研究團(tuán)隊(duì)通過使用離子液體而非水作為溶劑，來溶脹極性聚合物（即形成離子液體凝膠），在適當(dāng)?shù)木酆衔餄舛认麻_發(fā)了一種名為“玻璃態(tài)凝膠”的新型高分子材料。它不僅具有類似于玻璃態(tài)聚合物的模量和強(qiáng)度，而且保持了凝膠的延展性，同時(shí)還具有自愈合、形狀記憶以及超強(qiáng)的黏附特性。 例如，一塊重量只有0.156克、厚度1毫米的玻璃態(tài)凝膠，能夠提起4公斤重的重物。與此同時(shí)，凝膠只是發(fā)生了彎曲變形，并沒有出現(xiàn)折斷或是被拉伸。如果將一塊直徑12毫米的圓形凝膠對(duì)半切開再重合放置，它不僅能夠恢復(fù)如初，并且能夠提起500克的重物。 圖片 玻璃態(tài)凝膠的多種性能優(yōu)勢(shì)。圖源：Nature論文 離子液體溶劑在賦予該材料獨(dú)特的組合性能中起到了關(guān)鍵作用。一方面，離子液體與傳統(tǒng)溶劑（例如，水）一樣，可以使聚合物變得柔韌和可拉伸，從而使材料獲得類似凝膠的延展性；另一方面，離子液體與聚合物鏈通過豐富而強(qiáng)烈的非共價(jià)相互作用——即“溶劑交聯(lián)”，實(shí)現(xiàn)了溶劑增韌。 圖片 離子液體的正負(fù)離子與高分子鏈的正負(fù)電荷形成溶劑交聯(lián)結(jié)構(gòu)。圖源：Nature論文 “與水不同，離子液體是由正負(fù)離子組成的液態(tài)鹽。當(dāng)玻璃態(tài)聚合物溶脹在離子液體中時(shí)，正負(fù)離子會(huì)與高分子鏈上的正負(fù)電荷基團(tuán)結(jié)合，形成離子鍵等非共價(jià)鍵，產(chǎn)生‘溶劑交聯(lián)’。溶劑交聯(lián)的特殊結(jié)構(gòu)在一定程度上，既分開了高分子鏈，又通過非共價(jià)相互作用將高分子鏈固定在了一定范圍內(nèi)，使得玻璃態(tài)凝膠材料呈現(xiàn)出雙重特性�！蓖趺老阏f，“該溶劑增韌機(jī)理是普適性的，換一種離子液體溶劑或極性高分子聚合物，仍然可以通過該機(jī)理實(shí)現(xiàn)類似的材料特性�！� 從根源找答案 溶劑增韌機(jī)理是這項(xiàng)研究最大的亮點(diǎn)之一。 然而，在做這項(xiàng)研究時(shí)，確認(rèn)溶劑增韌的機(jī)理曾是困擾王美香長(zhǎng)達(dá)半年的關(guān)鍵難題。 “在2022年3月份左右，我們已經(jīng)把所有研究相關(guān)的工作做完了，包括材料表征和力學(xué)表征，唯獨(dú)沒有理解清楚玻璃態(tài)凝膠的增韌機(jī)理。到底是什么原因?qū)е滤艹尸F(xiàn)玻璃態(tài)聚合物和凝膠的雙重特性？這個(gè)問題一直想不清楚�！蓖趺老阏f。 那時(shí)，毫無(wú)頭緒的王美香通過與博士后導(dǎo)師Michael討論交流尋求研究突破，她幾乎把討論過程中所有能想到的可能機(jī)理都做了測(cè)試，均以失敗告終。盡管如此，導(dǎo)師Michael仍然保持著樂觀的科研心態(tài)，并表示：“這個(gè)材料的機(jī)理太新了，從來沒有人研究過�！� 在興奮與沮喪交織的矛盾情緒下，研究團(tuán)隊(duì)選擇老老實(shí)實(shí)地從材料的基礎(chǔ)特性入手。通過一系列的實(shí)驗(yàn)和對(duì)比研究，他們排除了常規(guī)的解釋，比如共價(jià)鍵交聯(lián)和相分離增韌，最終確定了離子液體溶劑通過高分子鏈間的非共價(jià)交聯(lián)作用，賦予了材料獨(dú)特的性能。 2023年6月2日，研究團(tuán)隊(duì)將文章投至Nature編輯部，一個(gè)多月后，團(tuán)隊(duì)收到了審稿意見。包括Nature編輯在內(nèi)，三位審稿人都對(duì)材料的力學(xué)特性給予了高度肯定，但其中兩位審稿人對(duì)玻璃態(tài)凝膠的增韌機(jī)理提出了質(zhì)疑。 “他們認(rèn)為溶劑與高分子鏈間存在相互作用屬于常見現(xiàn)象，不能說明溶劑增韌。我們?cè)诨貜?fù)中通過補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)了溶劑通過與高分子鏈間的強(qiáng)相互作用來交聯(lián)高分子網(wǎng)絡(luò)，以此實(shí)現(xiàn)材料增韌。同時(shí)在回復(fù)中強(qiáng)調(diào)，新型溶劑增韌機(jī)理是材料獲得出色力學(xué)性能的關(guān)鍵，也是這項(xiàng)研究的最大亮點(diǎn)之一。審稿人最終認(rèn)可了我們的實(shí)驗(yàn)證據(jù)與機(jī)理解釋�！蓖趺老阏f。 文章從投稿到接收僅進(jìn)行了一輪修改。“我們?cè)谑盏綄徃逡庖姾笾肿隽搜a(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，由于導(dǎo)師Michael當(dāng)時(shí)在歐洲休假，擱置了一段時(shí)間，直到2024年2月中旬才完成文章的修改并返投�！蓖趺老慊貞浀�。2024年5月14日，論文被正式接收。 這項(xiàng)研究工作發(fā)表后，得到了凝膠領(lǐng)域的著名學(xué)者、中國(guó)科學(xué)院外籍院士鎖志剛的高度評(píng)價(jià)。他表示：“這項(xiàng)工作通過‘溶劑交聯(lián)’增韌機(jī)理展示了一類具有創(chuàng)紀(jì)錄機(jī)械性能的新材料，這在電池電解質(zhì)、柔性電子產(chǎn)品和3D打印等應(yīng)用中具有巨大潛力�！� 圖片 王美香等發(fā)表的Nature論文 “做科研要心細(xì)” 王美香博士畢業(yè)于西安交通大學(xué)。在博士階段，她的主要研究方向是水凝膠，這是一個(gè)相對(duì)成熟的研究領(lǐng)域，許多課題組和學(xué)者在該領(lǐng)域表現(xiàn)卓越。競(jìng)爭(zhēng)激烈的研究環(huán)境讓王美香意識(shí)到，想要做出有意義且有用的創(chuàng)新性成果，難度非常大。 與此同時(shí)，離子液體凝膠這一潛力較大的研究領(lǐng)域吸引了王美香的注意�！八z雖然有其獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值，但也有許多局限性，其溶劑單一，只有水。與水凝膠相比，離子液體凝膠領(lǐng)域是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜且新穎的研究領(lǐng)域。離子液體作為溶劑，其種類繁多，不易揮發(fā)且具有導(dǎo)電性�！蓖趺老阏f。 2019年11月，王美香進(jìn)入北卡羅來納州立大學(xué)從事博士后研究，并決定將研究方向轉(zhuǎn)向離子液體凝膠。 王美香正是在對(duì)離子液體凝膠的深入探索中，無(wú)意間發(fā)現(xiàn)了新的玻璃態(tài)凝膠材料。 “2020年，我在進(jìn)行另一項(xiàng)發(fā)表在Nature Materials上的研究工作時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了玻璃態(tài)凝膠材料。但是，由于當(dāng)時(shí)我的主要精力都集中在前一項(xiàng)研究中，這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)暫時(shí)被擱置。直到2021年11月，才正式開始對(duì)它進(jìn)行深入研究�！蓖趺老慊貞浀�。 在王美香看來，做科研一定要心細(xì)。無(wú)論是這項(xiàng)最新發(fā)表在Nature上的玻璃態(tài)凝膠研究，還是她正在做的科研工作，新課題項(xiàng)目幾乎都是王美香在做其他相關(guān)課題時(shí)，通過細(xì)心觀察和分析發(fā)現(xiàn)的。 回顧自己的研究經(jīng)歷，王美香表示，她對(duì)導(dǎo)師Michael充滿了感激之情�！癕ichael總是積極鼓勵(lì)每一位學(xué)生，無(wú)論實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何，他都以樂觀的態(tài)度面對(duì)。他認(rèn)為，即使結(jié)果不理想，至少也知道了哪些方向行不通，這樣就能更加接近正確的路徑�！蓖趺老阏f，“通過言傳身教，Michael不僅潛移默化地影響了我的科研態(tài)度，還影響了我的生活態(tài)度。讓我不再像以前那樣遇事容易急躁和焦慮。” 此外，導(dǎo)師Michael在生活中也給予了王美香極大的關(guān)心和幫助。 2022年，王美香感染了新冠病毒，高燒不退，病情嚴(yán)重。Michael每天都會(huì)打電話或發(fā)信息關(guān)心她的情況，甚至?xí)䴗?zhǔn)備一些生活用品和食物，從很遠(yuǎn)的地方跑過來送給她。每當(dāng)她有任何問題或者是任何需求的時(shí)候，Michael都會(huì)不遺余力地幫助她�！八麑�(duì)每一個(gè)學(xué)生都非常關(guān)心，盡力幫助他們解決困難�！蓖趺老阏f。 對(duì)于未來，王美香已有新的計(jì)劃�！跋乱徊�，我將繼續(xù)專注于高分子材料的研究，著重于開發(fā)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的材料。我希望這些科研成果能夠解決現(xiàn)實(shí)社會(huì)問題、提高人們的生活質(zhì)量。” 論文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41586-024-07564-0 |
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