• 我的订阅
  • 科技

吉大团队研发碳点自组装新材料,有望用于光学涂层和软体机器人

类别:科技 发布时间:2024-01-15 09:53:00 来源:DeepTech深科技

近年来,在材料科学和纳米科学领域,将纳米粒子组装成宏观材料一直是一项重要课题。一般来说,人们通过集成单个纳米粒子的光学性质、电学性质和力学性质,来构建功能多样性的新材料。

目前为止,通过利用不同尺寸、不同形状和不同组成的纳米粒子,以及利用不同纳米粒子之间的相互作用,人们已经构建了一些宏观材料,例如凝胶、干凝胶、超晶格、光子晶体、胶体液晶和玻璃态材料等。

这些由纳米粒子组装而成的宏观材料,在催化、储能、电子科学、生物医学等领域均已得到应用。

对于这些纳米粒子的表面来说,它们通常接枝着小配体或短聚合物链。对于相邻的纳米粒子来说,这些短链会导致它们之间缺乏足够的链间相互作用,以至于由纳米粒子组装的宏观材料,往往存在脆性大、缺乏柔性、机械性质差等缺点。

这些限制的存在,为利用不同功能的纳米粒子制备坚固的宏观器件带来了阻碍。对于由纳米粒子制备的宏观材料来说,为了改善它们的力学性能,人们通常会把共价相互作用、或非共价交联相互作用,使用到材料制备之中。

但是,这些材料往往存在不可回收和不可持续的劣势。因此,假如在批量制备功能性纳米粒子的时候,将它们组装成可被回收、可被持续加工、机械性质优异的宏观材料,将有助于探索新的变革性材料。

作为一种新兴的纳米粒子,碳点(CDs,Carbon Dots)凭借低毒性、易修饰、环境友好、生物相容性好、易于低成本批量生产、光电和光致发光性能优异等特点,在基础研究和实际应用中引起了广泛关注。

目前,当以有机小分子或聚合物作为原料来合成碳点的时候,一般采用自下而上的策略。使用这种方法合成的碳点,表现出典型的核壳结构。除了具有碳化的核之外,这种碳点还具有丰富的官能团、以及短聚合物链的壳。

这些官能团或聚合物链的存在,有助于碳点的化学修饰,进一步推动了碳点在纳米复合材料和功能器件中的发展。

值得注意的是,碳点作为构筑基元的宏观材料将继承碳点的优良特性,并产生单个碳点所不具有的耦合性能,然而,仅由碳点组装成的宏观材料尚未报道。

基于上述背景,吉林大学教授李云峰课题组开发了一种薄膜材料,它由脲基嘧啶酮(UPy,2-ureido-4[1H]-pyrimidinone)基团修饰的碳点自组装而来。

吉大团队研发碳点自组装新材料,有望用于光学涂层和软体机器人

图 | 李云峰(来源:李云峰)

研究伊始他们查阅大量的文献,挑选了合适的碳点和后修饰基团。然后,他们开始尝试制备 UPy 修饰碳点,并对提纯条件加以细化,以及调节接枝的比例,进而对 UPy 修饰碳点进行表征。

接着,课题组开始制备宏观材料,并对膜材料的形貌进行表征,并测试了材料的溶剂稳定性。

随后,他们开始表征材料的机械性质,并利用分子动力学来模拟影响材料机械性质的内在因素,最后进行了水塑加工处理,借此造出了不同荧光颜色的膜材料。

他们发现通过调节 UPy 基团的修饰量,能够调控碳点之间的相互作用力。这样一来薄膜不仅可以继承碳点的荧光性质,并且可以通过掺杂其他碳点,来实现荧光颜色可调的特性。

更重要的是,该薄膜具有自愈性、可回收、力学优异、耐溶剂性等性能,杨氏模量超过 490MPa,断裂强度超过 30MPa。

经过多次循环利用之后,仍能基本保持原有的机械性能。分子动力学模拟结果表明,这种薄膜的力学性能取决于粒子间和粒子内氢键的相互作用。此外,通过环保的水塑法还能把薄膜加工成各种形状。

总的来说,通过运用分子动力学方法,课题组很好地解释了碳点内和碳点间氢键与材料的应力应变特性之间的关系,为探索基于纳米粒子组装的功能宏观材料提供了新方法。

相比之下,由传统纳米粒子组装的宏观材料,存在易碎、缺乏柔性、机械性质差等诸多限制。而本次薄膜不仅突破了上述限制,也将加速纳米材料在实际应用中的发展。

就应用前景来说,本次提出的方法以及薄膜材料,有望用于生物材料、光学涂层、柔性传感器和软体机器人等。在相关论文之中,该团队也初步展示了传感湿度的概念性应用。

吉大团队研发碳点自组装新材料,有望用于光学涂层和软体机器人

(来源:Nature Communications)

最终,相关论文以《将碳点可重铸成机械坚固的宏观材料》(Recastable assemblies of carbon dots into mechanically robust macroscopic materials)为题发在 Nature Communications[1]。

吉林大学博士生隋博文和吉林大学副教授朱有亮副教授是共同一作,吉林大学教授李云峰担任通讯作者。

吉大团队研发碳点自组装新材料,有望用于光学涂层和软体机器人

图 | 相关论文(来源:Nature Communications)

接下来,课题组希望能够丰富碳点自组装宏观材料的种类,以便制备功能更加多样的碳点自组装宏观材料,进一步地开发相关材料的功能,期待最终研发一种能够服务人类生产生活的创新材料。

参考资料:

1.Sui, B., Zhu, Y., Jiang, X.et al. Recastable assemblies of carbon dots into mechanically robust macroscopic materials. Nat Commun 14, 6782 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42516-8

运营/排版:何晨龙

以上内容为资讯信息快照,由td.fyun.cc爬虫进行采集并收录,本站未对信息做任何修改,信息内容不代表本站立场。

快照生成时间:2024-01-15 12:45:37

本站信息快照查询为非营利公共服务,如有侵权请联系我们进行删除。

信息原文地址:

...自然·电子学》的研究中,研究人员利用他们开发的这种新材料,将电机直接接在两台机器的电源上:一个蜗牛状的软体机器人和一辆玩具汽车。这种材料拥有较强的自我修复能力,因此可以使这些
2023-07-05 00:37:00
泉果基金调研福莱新材
...结合呢? 答:福莱新材将继续深耕涂布、聚焦涂布,专注新材料的研发,以创新为驱动,提供多功能、多场景、多样化的产品解决方案。围绕涂布所展开的工艺、基材、涂液、设备的共同
2025-02-19 10:02:00
「优易新材」获数千万元Pre-A轮融资,专注高温涂层新材料|36氪首发
...“鋆昊资本多年来专注于高端制造及硬科技行业,同时向新材料不断延伸。优易的石墨烯陶金涂层材料作为创新性材料,具备优异的导热、防腐、耐磨性,可广泛适用于高温工业场景。鋆昊资本看好
2023-12-20 12:16:00
美国研发出新材料:可在流体与固体状态间自由切换
...体一样流动,而在其他条件下则像固体一样稳定。这种创新材料被命名为“多链架构材料”(Polycatenated Architected Materials
2025-01-23 08:32:00
...大的科研团队和良好的市场前景。其主营产品为中国航天新材料高能激光防护涂层材料,是国防工业中“刚性需求、无可替代且需要长期供给”的新型材料,可用于无人机、火箭弹、卫星等各型号作
2024-01-02 06:59:00
林导:选择珍吸引,轻松拥有一份成功副业
...生命场信息材料科技现在已经被运用在健康产品上,钱派新材料研究院深耕生命场信息材料科技领域多年,研发生产的珍吸引纯自然美胸仪器、全息调频海绵体仪、全息调频元素眼镜效果显著,受到
2024-08-15 12:02:00
机器人液化越狱,中国团队实现终结者幻想
...黏糊糊的液体材料。这次,研究团队创造性地提出了一种新材料—— 磁活性相过渡物质(MPTM)。MPTM由嵌入镓(一种熔点很低的金属)中的磁性粒子组成,不但具有高机械强度、高负载
2023-01-29 11:04:00
...高交会前三天,洽商交易额已达328.03亿元。众多新技术、新材料亮相,“高精尖”展品未来将如何改变我们的生活?玻璃变电池 新材料带来全新应用场景你能够想象,未来的每一栋大楼都
2023-11-19 23:53:00
科学家造出纤维素光学超材料,实现低于环境温度5.7℃的制冷效果
...有一定经验。于是,他打算基于纤维素,来探索开发上述新材料的可能性。尽管此前已有关于纤维素日间辐射制冷材料的报道,但是如何实现大规模的生产,始终尚未得到解决。此外,纤维素结构和
2024-07-24 09:54:00
更多关于科技的资讯: