Volume 3 Issue 4 will be published on Jul 12, 2022.   A Cell Press partner journal
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老树开新花:橡胶材料的新应用

碘掺杂不饱和橡胶曾作为导电高分子机理研究中重要的一环,被广泛地研究。究竟是碘与双键引发的电荷转移带来的电荷传递?还是碘掺杂引入了共轭结构引起了导电性能的增加?科学家们对此各执一词。对机理重新进行挖掘,巧妙构筑光热转换材料,并拓展到智能抗污涂层、可控乳液等领域的研究,极大地丰富了传统橡胶的应用范畴,让老树开出了新花。


橡胶材料广泛应用于工业、农业、国防、交通运输等领域。生活中常见的橡胶制品包括橡胶手套、雨靴、轮胎、乳胶玩具等。对橡胶制品的发展和改性极大地丰富了人们对于它的认识和理解。这些认知有助于引导人们拓展橡胶材料的性能极限,扩大其应用范围,实现橡胶在新领域中的新应用。

中国人民大学化学系王亚培课题组发展了碘掺杂橡胶这一体系,在新型光热转换材料的开发抗污界面以及杀菌材料的制备自发乳液体系的建立等方面开展了先驱性的工作,拓宽了橡胶材料的应用范围(图1)。

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图1 碘掺杂不饱和橡胶应用拓展


通过碘掺杂反式聚异戊二烯(TPI)橡胶可以得到光热转换效率高达91.2%的光热橡胶材料。该材料具有良好的长期稳定性,在空气中暴露6个月后,其光热转换能力没有明显的下降。实验进一步证明,碘掺杂不饱和橡胶过程会在体系中形成多碘负离子与阳离子自由基,共同赋予TPI优异的光热转换能力。结合计算建模和多维数字打印技术,可以按需制备具有任意形态的大尺度光热转换材料,引领可定制化3D打印光热转换材料的新风尚。

在接下来的工作中,王亚培课题组巧妙地利用碘掺杂橡胶过程中产生的阳离子自由基,在具有光热转换性能的TPI橡胶表面成功修饰了热敏型聚合物—聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)。利用光热转换为体系中带来的温度变化,引发碘的可控释放,结合PNIPAM链的伸展和收缩,构建了光热转换触发的“杀死-释放细菌”体系,实现碘掺杂橡胶材料防污的特性。

常见的碘伏(聚维酮碘制剂)在过去的研究中对成骨细胞、成纤维细胞和成肌细胞具有明显的细胞毒性,会大大阻碍伤口的愈合。利用碘与橡胶之间发生的电荷转移过程,有效地构筑碘的缓释体系,或能成为解决这一问题的关键。基于此,他们发展了一种纳米碘胶囊,利用不饱和橡胶中的双键高效固定碘分子,降低溶液中的碘含量,在保证抗菌能力的同时,有效降低了碘对正常细胞的毒性,提供了长效抗菌的可能性。经实验验证,这一种纳米碘胶囊也会促进伤口的愈合。

进一步地,碘掺杂橡胶体系可以扩展到“一步法”制备复杂乳液的研究中。制备得到内相为碘掺杂苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)溶液的水包油乳液。由于SBS与碘发生的电荷转移过程能够在油相中产生大量离子,使得油相中渗透压增加,渗透压驱动外相中的水进入内相。SBS因碘的掺杂变成具有两亲性的聚合物,能够稳定油相内部新生成的油水界面。利用自发乳液的行为,仅需一步搅拌即可简单制备得到“水包油包水”的复杂乳液(图2)。

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图2 复杂乳液的形成过程




总结和展望

利用碘掺杂极大地扩展了传统橡胶的应用范畴。上述开创性工作在一定程度上证明了:如果碘掺杂橡胶中的活性物质,能够被充分地理解并重视,那么科学家们将有望进一步挖掘这一类橡胶材料的应用潜力,实现“老材料”在新领域的拓土开疆


原文链接:https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00020-5




作者简介 


王亚培教授于2009年获得清华大学理学博士学位,师从张希院士。2009~2011年在北卡罗来纳大学教堂山分校从事博士后研究,导师为Joseph M. DeSimone院士。2012年2月加入中国人民大学化学系,担任特聘研究员,2015年7月晋升为教授,并入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。先后获国家自然科学基金委优秀青年基金(2014)、中国化学会青年化学奖(2014)、教育部长江学者青年学者计划(2017)、国家自然科学基金委杰出青年基金(2018)。

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