Nature Materials：中频振动响应材料

纳米技术

2021-02-23

在自然界领域，骨头能够对其受到的机械力自适应，增加强度实现匹配放置于其上的机械力。有鉴于此，芝加哥大学Aaron P. Esser‐Kahn等报道了一种复合结构材料，能够随着力、时间、机械搅拌频率的变化做出改变。材料的自适应过程通过ZnO对机械力的响应变化实现，其中聚合物分子中的硫醇和烯烃官能团之间交联反应能够进行控制，实现了机械力导致模量提高66倍。由于化学能的能量和输入机械力相关，这种材料随着压力分布的区别实现模量的自适应变化。

本文要点：

（1）

研究背景。日常生活中的材料可能面临着多种不同条件中性能衰减，比如温度、湿度、甚至机械振动等角度。合成材料一直以来都面临着外部机械力的问题，但是很少有相关材料能够对这种外加机械力具有自适应响应，从而免于遭受损伤。同时，目前对材料的设计增韧型材料抵御环境影响作用、或者通过分别引发机理实现重新进行力的加载。

对于自然界材料，骨头能够对担载位置、频率、能量、不同时间长度等实现对循环变化的载荷能够适应，这种过程认为是结构上的重构过程。目前，自修复材料、强化材料主要关注于减轻损伤或者提高材料强度。发现在胶体悬浮液、聚合物材料中能够将剪切力转变为粘度变化，从而对剪切力实现响应性变化，但是这种响应通常是瞬态变化。

因此设计类似骨头的材料，实现对特定不同模量的机械力刺激作用实现适应性响应，同时保持材料的强度，具有较高难度和挑战。

（2）

机械响应材料的发展。骨头、肌肉等组织材料对振动、剪切力、压缩等机械刺激作用有很好的自适应作用，人们发现在该过程中振动能量在低频率~中频率（10~5000 Hz）能够通过压电效应进行收集。在之前的工作中，自增强材料（self-strengthening material）能够很好的利用和操控机械能，但是该过程中通常需要使用机械基团（mechanophore）、机械自由基（mechanoradical）作为消耗机械力的基团，需要较高的剪切力或轴向力型应力。这种过程中无法对振动等过程进行动态响应，导致难以应对不同载荷条件，尤其在振动区间处于10~5000 Hz的机械力。

（3）

为了设计自适应型材料，作者通过无机ZnO机械响应基团，实现了对中等振动频率区间的振动通过压电效应进行响应，能够对随时间、频率变化进行响应。由此形成能够模、机械力自适应的自强化材料。该过程中通过ZnO驱动巯基-烯烃反应、小位移导致的中频振动。而且该系统能够在氧气气氛中实现凝胶交联。

参考文献

Zhao Wang, Jun Wang, Jorge Ayarza, Tim Steeves, Ziying Hu, Saikat Manna & Aaron P. Esser‐Kahn*, Bio-inspired mechanically adaptive materials through vibration-induced crosslinking, Nat. Mater. (2021)

DOI: 10.1038/s41563-021-00932-5

https://www.nature.com/articles/s41563-021-00932-5