东北林业大学王成毓教授、杨海月教授AFM：具有机械转化和热可控的纤维素基盐凝胶

图 1 纤维素-盐凝胶熔融结晶转变示意图

通过水合乙酸钠模拟生物体内的盐响应信号，制备的纤维素/盐凝胶具有独特的间歇性热释放特性和双稳定的可切换固态模式。三水合乙酸钠（SAT）的相变使得凝胶具有可切换特性。外来刺激诱导的结晶增强了凝胶的机械性能。同时，过饱和水凝胶的相变过程还伴随着能量交换。此外，淀粉被用来赋予纤维素盐凝胶自愈特性，从而模仿生物体中负责修复和再生的糖蛋白。纤维素的加入确保了纤维素盐凝胶的形状稳定性，模拟了自然界中植物中纤维素提供的结构支持和稳定性。

对于这种纤维素盐凝胶，由于高能量势垒(图1b)，过冷的SAT在PAM/SA/CNF基质中保持过冷状态，这保证了能量的长期储存，并为按需释放能量奠定了基础。当需要热量时，可以通过诱导成核促进结晶，从而释放能量。沾水的剪刀可以可以中止结晶的同时不会重新诱导成核，从而防止在接触剪刀的区域形成新的晶核。此外，由于熔融-结晶转变，纤维素/盐凝胶在低力学模量(0.03 MPa)、自愈、高透明度(透光率:93.43%)、光滑(粗糙度:0.04 μm)的熔融状态和高模量(32.38 MPa)、不透明(透光率:41.59%)、粗糙(粗糙度59.73 μm)的刚性状态之间可逆切换。此外，纤维素盐凝胶便于大规模制备和可重复使用(图1c)，在满足当今日益增长的小型化需求和各种应用场景(如温差发电、可穿戴电子产品)的性能提升方面表现出良好的应用前景。

图 2 纤维素/盐凝胶在相变前后具有不同的微观形貌，结晶度和透光率。

图 3 纤维素/盐凝胶在相变前后展示了可切换的力学性能。

图 4 纤维素/盐凝胶具有可控的结晶放热行为。

图 5 将这种纤维素/盐凝胶应用于温差发电，展现了独特的间歇发电行为。

小结

综上所述，我们开发了一种由过冷熔融盐和PAM/SA/CNF凝胶基体组成的可切换机械性能和热可控的纤维素/盐凝胶。在分子水平上相互作用的组分的协同作用使我们能够利用SAT的相变和亚稳态特性。因此，这种智能凝胶表现出惊人的和不寻常的材料特性。通过对储热放热过程进行动态控制，实现了储热放热可控，刚度(32.38 MPa和0.02 MPa)、透光率(41.59%和93.43%)、粗糙度、氢键和微观结构的可调性。其中，淀粉糊化形成的大量氢键使凝胶具有良好的自愈合性能。并且基于SAT的纤维素/盐凝胶制备方式简单，适合大规模制备此外, 智能纤维素/盐凝胶在可控温差发电方面具有广阔的应用前景。

东北林业大学材料学院硕士研究生 刘一繁 与博士研究生 周加左 为该论文的共同第一作者， 王成毓教授和杨海月教授 为该论文的共同通讯作者。

文章链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202400203