石墨烯诱导水凝胶成核的高强韧人造蛛丝

何文倩 邸亚 姜南 刘遵峰 陈永胜

引用本文: 何文倩, 邸亚, 姜南, 刘遵峰, 陈永胜. 石墨烯诱导水凝胶成核的高强韧人造蛛丝[J]. 物理化学学报, 2022, 38(9): 220405. doi: 10.3866/PKU.WHXB202204059 shu
Citation:  Wenqian He, Ya Di, Nan Jiang, Zunfeng Liu, Yongsheng Chen. Graphene-Oxide Seeds Nucleate Strong and Tough Hydrogel-Based Artificial Spider Silk[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(9): 220405. doi: 10.3866/PKU.WHXB202204059 shu

石墨烯诱导水凝胶成核的高强韧人造蛛丝

    通讯作者: 刘遵峰, liuzunfeng@nankai.edu.cn; 陈永胜, yschen99@nankai.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 52090034

    国家自然科学基金 51973093

    国家自然科学基金 51773094

    国家重点研发项目 2019YFE0119600

    南开大学新有机质前沿科学中心 63181206

摘要: 天然蜘蛛丝是由β-sheet交联的蛛丝蛋白溶剂流入S-型导管后经牵引拉伸形成,它显示了高强度与高韧性的完美结合。其优异的力学性质主要源于它的多级结构:交联、线性排列的纳米组装体以及核壳结构。受此启发,我们合成了一种交联的水凝胶,通过牵引拉丝的方法,制备了交联的、含有取向排列的纳米组装体结构以及核壳结构的凝胶纤维,并通过少量引入二维纳米材料—氧化石墨烯(0.01%),进一步调控纳米组装体的取向和尺寸,实现了蜘蛛丝般优异的力学性能(断裂强度560 MPa,断裂韧性200 MJ·m−3,缓冲能94%)。这种纤维可以用于高速下落物体的能量耗散和降低冲击力。

English

    1. [1]

      Ling, S.; Qin, Z.; Li, C.; Huang, W.; Kaplan, D. L.; Buehler, M. J. Nat. Commun. 2017, 8, 1. doi: 10.1038/s41467-017-00613-5

    2. [2]

      Omenetto, F. G.; Kaplan, D. L. Science 2010, 329, 528. doi: 10.1126/science.1188936

    3. [3]

      Vollrath, F.; Knight, D. P. Nature 2001, 410, 541. doi: 10.1038/35069000

    4. [4]

      Rising, A.; Johansson, J. Nat. Chem. Biol. 2015, 11, 309. doi: 10.1038/nchembio.1789

    5. [5]

      Yarger, J. L.; Cherry, B. R.; Van Der Vaart, A. Nat. Rev. Mater. 2018, 3, 1. doi: 10.1038/natrevmats.2018.8

    6. [6]

      Yoshioka, T.; Tsubota, T.; Tashiro, K.; Jouraku, A.; Kameda, T. Nat. Commun. 2019, 10, 1. doi: 10.1038/s41467-019-09350-3

    7. [7]

      Du, N.; Yang, Z.; Liu, X. Y.; Li, Y.; Xu, H. Y. Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 772. doi: 10.1002/adfm.201001397

    8. [8]

      Eisoldt, L.; Smith, A.; Scheibel, T. Mater. Today 2011, 14, 80. doi: 10.1016/S1369-7021(11)70057-8

    9. [9]

      Lefèvre, T.; Auger, M. Int. Mater. Rev. 2016, 61, 127. doi: 10.1080/09506608.2016.1148894

    10. [10]

      Lin, T.-Y.; Masunaga, H.; Sato, R.; Malay, A. D.; Toyooka, K.; Hikima, T.; Numata, K. Biomacromolecules 2017, 18, 1350. doi: 10.1021/acs.biomac.7b00086

    11. [11]

      Yazawa, K.; Malay, A. D.; Masunaga, H.; Numata, K. Macromol. Bioscience 2019, 19, 1800220. doi: 10.1002/mabi.201800220

    12. [12]

      Gao, H.-L.; Zhao, R.; Cui, C.; Zhu, Y.-B.; Chen, S.-M.; Pan, Z.; Meng, Y.-F.; Wen, S.-M.; Liu, C.; Wu, H.-A. Natl. Sci. Rev. 2020, 7, 73. doi: 10.1093/nsr/nwz077

    13. [13]

      Mittal, N.; Jansson, R.; Widhe, M.; Benselfelt, T.; Håkansson, K. M.; Lundell, F.; Hedhammar, M.; Söderberg, L. D. ACS Nano 2017, 11, 5148. doi: 10.1021/acsnano.7b02305

    14. [14]

      Mohammadi, P.; Aranko, A. S.; Landowski, C. P.; Ikkala, O.; Jaudzems, K.; Wagermaier, W.; Linder, M. B. Sci. Adv. 2019, 5, eaaw2541. doi: 10.1126/sciadv.aaw2541

    15. [15]

      Yu, Y.; He, Y.; Mu, Z.; Zhao, Y.; Kong, K.; Liu, Z.; Tang, R. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1908556. doi: 10.1002/adfm.201908556

    16. [16]

      Dou, Y.; Wang, Z.-P.; He, W.; Jia, T.; Liu, Z.; Sun, P.; Wen, K.; Gao, E.; Zhou, X.; Hu, X. Nat. Commun. 2019, 10, 1. doi: 10.1038/s41467-019-09234-6

    17. [17]

      Wu, Y.; Shah, D. U.; Liu, C.; Yu, Z.; Liu, J.; Ren, X.; Rowland, M. J.; Abell, C.; Ramage, M. H.; Scherman, O. A. Proc. Nat. Acad. Sci. U. S. A. 2017, 114, 8163. doi: 10.1073/pnas.1705380114

    18. [18]

      Deptula, A.; Wade, M.; Rogers, S. A.; Espinosa‐Marzal, R. M. Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2111414. doi: 10.1002/adfm.202111414

    19. [19]

      Heidebrecht, A.; Eisoldt, L.; Diehl, J.; Schmidt, A.; Geffers, M.; Lang, G.; Scheibel, T. Adv. Mater. 2015, 27, 2189. doi: 10.1002/adma.201404234

    20. [20]

      Li, J.; Zhu, Y.; Yu, H.; Dai, B.; Jun, Y.-S.; Zhang, F. ACS Nano 2021, 15, 11843. doi: 10.1021/acsnano.1c02944

    21. [21]

      Li, Y.; Li, J.; Sun, J.; He, H.; Li, B.; Ma, C.; Liu, K.; Zhang, H. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 132, 8225. doi: 10.1002/anie.202102158

    22. [22]

      Kabir, M. H.; Ahmed, K.; Gong, J.; Furukawa, H. The Effect of Cross-Linker Concentration in the Physical Properties of Shape Memory Gel. In: Proceedings of SPIE, 2015, 9432, 94320Q. Conference on Behavior and Mechanics of Multifunctional Materials and Composites, San Diego, CA, MAR 09–11, 2015. doi: 10.1117/12.2084181

    23. [23]

      Andersson, M.; Jia, Q.; Abella, A.; Lee, X.-Y.; Landreh, M.; Purhonen, P.; Hebert, H.; Tenje, M.; Robinson, C. V.; Meng, Q. Nat. Chem. Biol. 2017, 13, 262. doi: 10.1038/NCHEMBIO.2269

    24. [24]

      Wei, P.; Hou, K.; Chen, T.; Chen, G.; Mugaanire, I. T.; Zhu, M. Mater. Horiz. 2020, 7, 811. doi: 10.1039/C9MH01390C

    25. [25]

      Jin, Y.; Zhang, Y.; Hang, Y.; Shao, H.; Hu, X. J. Mater. Res. 2013, 28, 2897. doi: 10.1557/jmr.2013.276

    26. [26]

      Sun, M.; Zhang, Y.; Zhao, Y.; Shao, H.; Hu, X. J. Mater. Chem. 2012, 22, 18372. doi: 10.1039/C2JM32576D

    27. [27]

      Yue, X.; Zhang, F.; Wu, H.; Ming, J.; Fan, Z.; Zuo, B. Mater. Lett. 2014, 128, 175. doi: 10.1016/j.matlet.2014.04.116

    28. [28]

      Liao, X.; Dulle, M.; e Silva, J. M. d. S.; Wehrspohn, R. B.; Agarwal, S.; Förster, S.; Hou, H.; Smith, P.; Greiner, A. Science 2019, 366, 1376. doi: 10.1126/science.aay903

    29. [29]

      Xue, J.; Wu, T.; Dai, Y.; Xia, Y. Chem. Rev. 2019, 119, 5298. doi: 10.1021/acs.chemrev.8b00593

    30. [30]

      Kang, E.; Choi, Y. Y.; Chae, S. K.; Moon, J. H.; Chang, J. Y.; Lee, S. H. Adv. Mater. 2012, 24, 4271. doi: 10.1002/adma.201201232

    31. [31]

      Mittal, N.; Benselfelt, T.; Ansari, F.; Gordeyeva, K.; Roth, S. V.; Wågberg, L.; Söderberg, L. D. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 131, 18735. doi: 10.1002/ange.201910603

    32. [32]

      Tamayol, A.; Akbari, M.; Zilberman, Y.; Comotto, M.; Lesha, E.; Serex, L.; Bagherifard, S.; Chen, Y.; Fu, G.; Ameri, S. K. Adv. Healthc. Mater. 2016, 5, 711. doi: 10.1002/adhm.201670027

    33. [33]

      Huang, H. M.; Li, Z.; Wang, C. Solid State Phenomena 2007, 121, 579. doi: 10.4028/www.scientific.net/SSP.121-123.579

    34. [34]

      Lu, H.; Zhang, L.; Xing, W.; Wang, H.; Xu, N. Macromol. Chem. Phys. 2005, 94, 322. doi: 10.1039/C9TA14082D

    35. [35]

      Hou, K.; Hu, Z.; Mugaanire, I. T.; Li, C.; Chen, G.; Zhu, M. Polymer 2019, 183, 121903. doi: 10.1016/j.polymer.2019.121903

    36. [36]

      Hou, K.; Wang, H.; Lin, Y.; Chen, S.; Yang, S.; Cheng, Y.; Hsiao, B. S.; Zhu, M. Macromol. Rapid Commun. 2016, 37, 1795. doi: 10.1002/marc.201600430

    37. [37]

      Song, J.; Chen, S.; Sun, L.; Guo, Y.; Zhang, L.; Wang, S.; Xuan, H.; Guan, Q.; You, Z. Adv. Mater. 2020, 32, 1906994. doi: 10.1002/adma.201906994

    38. [38]

      Chen, G.; Wang, G.; Tan, X.; Hou, K.; Meng, Q.; Zhao, P.; Wang, S.; Zhang, J.; Zhou, Z.; Chen, T. Natl. Sci. Rev. 2021, 8, nwaa209. doi: 10.1093/nsr/nwaa209

    39. [39]

      Duan, X.; Yu, J.; Zhu, Y.; Zheng, Z.; Liao, Q.; Xiao, Y.; Li, Y.; He, Z.; Zhao, Y.; Wang, H. ACS Nano 2020, 14, 14929. doi: 10.1021/acsnano.0c04382

    40. [40]

      Ju, M., Wu, B., Sun, S., Wu, P. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1910387. doi: 10.1002/adfm.201910387

    41. [41]

      Wu, L.; Li, L.; Fan, M.; Tang, P.; Yang, S.; Pan, L.; Wang, H.; Bin, Y. Composites Part A: Appl. Sci. Manufacturing 2020, 138, 106050. doi: 10.1016/j.compositesa.2020.106050

    42. [42]

      Bettahar, F.; Bekkar, F.; Pérez-Álvarez, L.; Ferahi, M. I.; Meghabar, R., Vilas-Vilela, J. L.; Ruiz-Rubio, L. Polymer 2021, 13, 972. doi: 10.3390/polym13060972

    43. [43]

      Yang, Y.; Wang, C.; Wiener, C. G.; Hao, J.; Shatas, S.; Weiss, R., Vogt, B. D. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 22774. doi: 10.1021/acsami.6b08255

    44. [44]

      Chen, T.; Wei, P.; Chen, G.; Liu, H.; Mugaanire, I. T.; Hou, K.; Zhu, M. J. Mater. Chem. A 2021, 9, 12265. doi: 10.1039/d1ta02422a

    45. [45]

      An, Y.; Gao, L.; Wang, T. ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3, 5079. doi: 10.1021/acsanm.0c00351

    46. [46]

      Chu, C. K.; Joseph, A. J.; Limjoco, M. D.; Yang, J.; Bose, S.; Thapa, L. S.; Langer, R.; Anderson, D. G. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 19715. doi: 10.1021/jacs.0c09691

    47. [47]

      Zhao, X.; Chen, F.; Li, Y.; Lu, H.; Zhang, N.; Ma, M. Nat. Commun. 2018, 9, 1. doi: 10.1038/s41467-018-05904-z

    48. [48]

      Naficy, S.; Le, T. Y. L.; Oveissi, F.; Lee, A.; Hung, J. C.; Wise, S. G.; Winlaw, D. S.; Dehghani, F. Adv. Mater. Interfaces 2020, 7, 1901770. doi: 10.1002/admi.201901770

    49. [49]

      Peng, L., Liu, Y., Huang, J., Li, J., Gong, J., Ma, J. Eur. Poly. J. 2018, 103, 335. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2018.04.019

    50. [50]

      Zhou, M.; Gong, J.; Ma, J. e-Polymers 2019, 19, 215. doi: 10.1515/epoly-2019-0022

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  12
  • 文章访问数:  806
  • HTML全文浏览量:  80
文章相关
  • 发布日期:  2022-09-15
  • 收稿日期:  2022-04-30
  • 接受日期:  2022-06-15
  • 修回日期:  2022-06-13
  • 网络出版日期:  2022-06-22
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章