西安交通大學(xué)合作研究成果在《科學(xué)》發(fā)表

　　非全日制研究生網(wǎng)訊：融合和裂變行為在生物學(xué)、化學(xué)工程和理論物理學(xué)中已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注和研究，用以了解細(xì)胞行為，發(fā)展人工裝配體，以及生產(chǎn)多金屬化合物等。在過去，人們通過引入鹽、表面活性劑、離子、氧化劑和還原劑，或施加紫外線和可見光等方法，實現(xiàn)了脂質(zhì)/表面活性劑/有機小分子/聚合物膠束和囊泡的融合和裂變。這些方法通常是通過改變雙層膜內(nèi)部的相互作用或溶解添加劑，來改變囊泡內(nèi)部的液體和整體溶液之間的滲透壓，進(jìn)而實現(xiàn)囊泡的融合和分裂。類似的融合和裂變過程也在合金生產(chǎn)過程中被觀察到。盡管如此，可逆融合裂變過程的實現(xiàn)仍然是一項巨大的挑戰(zhàn)。這主要是由于單體之間的界面發(fā)生了不可逆的物理或化學(xué)變化。而對可逆和可控制的融合與裂變的探索將極大地促進(jìn)刺激響應(yīng)性材料的發(fā)展，這在開發(fā)動態(tài)可變形系統(tǒng)和具有定制化纖維亞結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)材料方面有可觀的前景。

　　為了實現(xiàn)人工裝配體的可逆融合與分裂，西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院劉益?zhèn)惤淌趫F(tuán)隊聯(lián)合浙江大學(xué)高分子系高超教授團(tuán)隊聯(lián)合提出了一種溶劑觸發(fā)的形貌調(diào)控策略，以氧化石墨烯（Graphene oxide , GO）纖維為模型，實現(xiàn)了可逆的融合與分裂。相關(guān)成果于5月7日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

　　濕法紡絲GO纖維的核殼結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)可逆融合與分裂的關(guān)鍵因素，其中殼層石墨烯排列緊密、取向一致，保證纖維溶脹穩(wěn)定性并限制內(nèi)部氧化石墨烯薄片的運動，而纖維內(nèi)部在溶脹狀態(tài)會形成疏松多孔結(jié)構(gòu)，引發(fā)大體積變形。在水和極性有機溶劑的刺激下，單根纖維由于溶脹或失水收縮，其外殼的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在圓柱狀和褶皺狀之間可逆地轉(zhuǎn)化。多根纖維的融合需經(jīng)歷三個過程：將多根干纖維置于溶劑中使其吸水溶脹形成纖維束；將纖維束同時抽離溶劑，由于氣液表面張力的存在，纖維聚集到一起；多根纖維在空氣中失水收縮，同樣由于表面張力的存在，纖維外殼相互靠近，最終由氫鍵粘合到一起，形成一根由多根細(xì)纖維組成的粗纖維。粗纖維的分裂也需經(jīng)歷三個過程：將粗纖維置于溶劑中使其溶脹分裂，形成纖維束；將溶劑中的纖維束相互分離；將分裂后的纖維獨立地抽離溶劑并干燥（多跟纖維的融合-分裂過程如圖1所示）。由于幾何變形的可重復(fù)性及氫鍵的可重構(gòu)性質(zhì)，可實現(xiàn)可逆的融合-分裂。

　　有限元模擬研究和理論分析研究了兩根纖維的融合和分裂過程（如圖2所示）。對于纖維融合過程，揭示了多孔核-殼系統(tǒng)失水收縮導(dǎo)致的殼層失穩(wěn)過程以及毛細(xì)力誘導(dǎo)的纖維褶皺縫合機理；而對于纖維分裂過程，揭示了溶脹纖維幾何形狀會產(chǎn)生的界面分離驅(qū)動力。

　　可逆融合與分裂的性質(zhì)有幾個潛在的應(yīng)用展示。首先，制備直徑任意可調(diào)的粗融合纖維，并且隨著融合纖維的直徑增加，力學(xué)性能基本不下降?？勺鳛榻Y(jié)構(gòu)材料，有望在工程領(lǐng)域發(fā)揮力學(xué)優(yōu)勢。其次，可以在不同的纖維基組裝結(jié)構(gòu)間靈活轉(zhuǎn)換。例如，通過可控的融合與分裂，一萬多根GO纖維基組裝體在GO柱與節(jié)點融合的GO網(wǎng)之間轉(zhuǎn)變，也能在融合的GO纖維與復(fù)雜的組裝結(jié)構(gòu)之間變化（圖3A-F）。再者，GO纖維束通過融合與分裂能實現(xiàn)包含與排除各種客體等功能性，如聚丙烯腈短纖（圖3G-J）、亞毫米級的玻璃珠和聚苯乙烯微球等。另外，普通的纖維（包括聚乙烯醇纖維、尼龍、蠶絲、不銹鋼絲、玻璃纖維、玄武巖纖維等）通過GO涂層也能具備這種可逆融合-分裂的特性，進(jìn)一步擴展了相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的范圍。