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刘遵峰课题组Materials Horizons:智能烫发新技术
2021-03-30  

来源:高分子科技

在日常生活中,头发被视为装饰物。如今烫发已成为时尚的重要元素,卷发更是风靡大街小巷,深入每个人心。有史以来,人们一直在寻找头发卷曲的方法。如古代埃及,是把头发缠卷在圆木棒上,在用湿泥凃上,在太阳下晒干后就成卷发了,后来水烫、火烫、电烫及冷烫技术相继出现。其中,冷烫技术是一直到现在美发厅都普遍使用的一种烫发方式。如果能有一种新型烫发技术,可以感知环境湿度变化智能调控发型,那将多么神奇。南开大学化学学院刘遵峰教授团队研发出一种“智能烫发新技术”,利用加捻和冷烫技术制备了可以自行固定的头发人工肌肉,可通过感知湿度实现自动伸缩,实现长发短发间的智能转换。该“智能的烫发技术”为含化学键的加捻纤维的定型提供了一种新的策略,在生物相容性智能材料、传感器和软体机器人研发领域中具有广阔的应用前景。

基于生物材料的自固定智能驱动器在人工肌肉,传感器、控制器以及用于组织工程、医疗保健和人机交互的软机器人中显示出广阔的应用前景。拉伸和扭转驱动是基本变形类型,可用于构建复杂的变形驱动,如弯曲、滚动、爬行等。像人的肌肉纤维、蜘蛛丝以及铃状铃虫的细长茎等,它们都是天然界中存在的自固定的纤维驱动器,可以实现伸缩和扭转等运动。但是,这些天然材料不能直接用于工业和人类生活中。因此,急需开发基于生物相容性和可生物降解的天然材料的新型自固定人工肌肉。

头发是一种由丰富角蛋白组成的天然生物材料,具有高拉伸强度、高隔热性、完全的生物降解性以及容易获得等优点。由于头发中α-角蛋白对水具有高灵敏响应性,因此头发非常适合制备自固定的人工肌肉。南开大学刘遵峰教授团队,探索利用头发中二硫键和氢键形成的交联网络,开发了一种“智能烫发新技术”,来实现湿度响应的头发人工肌肉的自固定。首先,将加捻后的头发纤维用硫代乙醇酸铵溶液还原,打开原来存在的S-S键形成–SH键。然后,在月桂胺氧化物溶液中氧化S-S键重组形成新的交联网络,来保持头发纤维的捻度,实现“智能烫发新技术”的自固定。该人工肌肉可以通过控制从–SH键到S-S键的氧化程度,来实现自固定人工肌肉驱动的可逆性和不可逆性的调控。可逆的旋转型人工肌肉实现了122.4°mm-1的旋转,同手性和异手性伸缩性人工肌肉分别实现了94%的收缩和3000%的伸长。这种优异的驱动性能取决于头发纤维吸水后角蛋白内氢键断裂和相关的结构转化造成的体积膨胀,并通过X射线衍射和宏观表征得到了证实。

图1 头发的表征及基于二硫键制备人工肌肉的机理


图2 旋转型头发人工肌肉的扭转驱动和机械性能


自固定头发人工肌肉可用于湿度传感器、智能开关、爬行机器人以及智能发型等应用场景。这项研究提供了一种新的策略,通过生物相容性和可生物降解天然材料中的化学交联来实现捻度的保持,来制备自固定的纤维人工肌肉,并实现人工肌肉可逆性的调节。该“智能烫发新技术”可拓展应用于含–SH键的其他天然和人造材料的自固定中,并对含其它动态可逆共价键材料的自固定具有借鉴意义。这将促进天然生物材料在组织工程、医疗保健以及人机交互的软机器人、传感器等领域的应用。

图3 头发人工肌肉的应用展示


本研究在国家自然科学基金、天津市自然科学基金和南开大学相关计划等资助下完成,成果发表于国际权威期刊Materials Horizons上。南开大学化学院刘遵峰教授为该文章的通讯作者,博士生冷雪琪为第一作者。

Tuning the Reversibility of Hair Artificial Muscles by Disulfide Cross-Linking for Sensors, Switches, and Soft Robotics. Xueqi Leng, Xiang Zhou, Jiayu Liu, Yicheng Xiao, Yaowang Li & Zunfeng Liu. Materials Horizons, 2021, DOI: 10.1039/D1MH00234A.

课题组网站:https://liuzunfeng.nankai.edu.cn/


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