王宇/傅雪薇/杨伟微粘控团队：跨尺度构象耦合实现材料性能按需调控和结构移植智造

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丝线缠绕是一种非常古老的材料加工策略，即便是科技发达的今天，我们依然喜欢借助这一简单方式将不可拉伸或者非弹性功能材料甚至器件缠绕到弹性体芯材上，从而获得本体不可拉伸材料的高度可拉伸或弹性特性。然而，时至今日，这一古老智慧背后的科学认识仍旧模糊。众所周知，高分子材料的机械性能从根本上依赖其化学结构与分子链的构象行为。这在聚合物链分子构象水平上已经得到充分认识，但在宏观材料水平上，构象的意义和价值还远未得到充分的认识。例如，螺旋结构材料的柔韧性、可拉伸性或者弹性通常被理解为变形，而非构象变化行为；但DNA分子双螺旋结构的变形行为却被习惯性地理解为分子链构象变化行为。这种对微观构象和宏观变形行为的习惯性分离思考，使得我们无法建立它们之间可能存在的共性联系。

图1.跨尺度构象行为以及具有构象耦合特征的螺旋构象复合材料设计

         基于上述思考，我院王宇、傅雪薇、杨伟团队在“驭变幻之象，塑功用之貌”指导思想下，重新思考了缠绕加工背后的科学，并基于缠绕加工提出螺旋构象复合材料（Helix-FiberComposite, HFC）的概念（图1）。这种HFC本质是由宏观尺度的螺旋构象和微观尺度的分子链构象机械耦合而成。这种HFC可通过精准调控螺旋数和机械耦合强度从而调控其力学性能，并发现了其特殊的假弹性行为（Pseudo-elasticbehavior）。作者对HFC的构象耦合机理进行了分析，并且进一步通过有限元数学模拟研究了HFC的耦合效应。
         基于HFC构象耦合行为的理解，作者还探索了其在特殊功能材料设计和制备领域的应用。首先，基于螺旋构象耦合，实现了将不可拉伸材料或器件转化为可拉伸的复合材料，同时设计了一种具有可灵活调控激活应变的应变传感器。
         最后，作者还探索了HFC用作弹性模具的可能，以实现复杂结构的复制和移植。其加工原理是基于弹性体芯的构象拉伸变细现象，以及螺旋纤维与高分子基底的机械粘附力作用，实现缠绕纤维构象与弹性体构象解耦合，最终复制和移植所需的螺旋结构。这将为特殊结构的设计和结构移植智造打开全新思路。
        综上所述，作者通过对构象行为的跨尺度理解，尝试将微观分子链构象与宏观材料结构变形进行统一，并揭示了缠绕智慧背后的构象本质，为机械性能可编程材料、可拉伸或者弹性导体和器件、特种传感以及结构移植智造等多个领域发展提供新视角新思路。上述论文近期发表在Nature旗下新出材料类高水平开源期刊CommunicationsMaterials上。上述论文也得到了南开大学刘遵峰教授的指导和帮助。
         论文详细信息：Li, D., Zhu, Z., Zhao, Z. et al. Fabrication of helix–fiber composites with mechanically coupled core-wrapping for programmable properties. Comm.Mater 4, 28 (2023).
         文章链接：https://doi.org/10.1038/s43246-023-00355-6。
         文章来源：四川大学
         杨伟，中共党员，工学博士，博士生导师，教授，高分子材料加工工程系副主任。1999年毕业于四川大学高分子材料与工程（塑料工程）专业，获工学学士学位；2002年毕业于四川大学材料加工工程专业获工学硕士学位；2006年毕业于四川大学材料加工工程专业，获工学博士学位。2002年7月起，留校任教，2005年起任讲师，2006年破格晋升副教授，2011年起任博士生导师，教授。入选2008年度教育部新世纪优秀人才支持计划，四川省第八批学术技术带头人后备人选，2010年度四川省杰出青年学术技术带头人培育计划。
         傅雪薇博士，特聘副研究员，入选四川大学“双百人才工程”计划。2015年在美国阿克伦大学获得聚合物工程硕士学位（导师：Sadhan C. Jana），2019年在美国华盛顿州立大学获得材料科学与工程博士学位（导师：Wei-Hong Zhong），并于2019-2021年在该系从事博士后工作。2021年10月加入四川大学高分子科学与工程学院高分子材料加工工程系。个人从事的研究方向为天然生物高分子的微纳加工、新型生物质基能源和环境材料的跨学科交叉研究和规模化应用。主要研究内容包括导离子型生物高分子材料、生物基多孔界面材料、蛋白质自组装技术，蛋白-蛋白和蛋白-纳米颗粒的界面研究等。迄今以第一或共同通讯作者在著名国际期刊Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials, Small, The Journal of Physical Chemistry Letters, Environmental Science and Technology等发表论文30余篇。
        王宇，特聘研究员，国家“四青”人才，美国R&D 100 Award（专利界“奥斯卡”奖）获得者，四川省学术带头人后备人才，微粘控课题组（MAGIC-X Group）负责人。驭变幻之象，塑功用之貌：材料加工以物质流动和变形控制为根基，以多场耦合下的跨尺度形态结构演变与调控为主干，以材料构效关系为指南，以最终加工成型的有用之材为花果。基于此理解，其课题组确立了微粘控学术思想，并主要围绕高分子加工与先进能源材料及器件加工中的共性关键科学技术问题，展开多学科交叉的基础和应用研究。目前，已发展出微粘控“纳米风暴”造粒技术，微粘控即时纺丝技术、微粘控纳米粘接剂技术、电极微环境调控等多个新型能源材料加工技术和重要基础概念。并以第一或通讯作者在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Nano, Energy Storage Mater.等材料科学领域知名期刊发表高水平论文40余篇，申请专利10余项，授权5项。目前，担任中国流变学分会青年委员，能源化学领域国际知名期刊Journal of Energy Chemistry杂志青年编委。