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)。 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)。 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)。 |