軟物質(zhì)
關(guān)注創(chuàng)建者：夏鈺坤 創(chuàng)建時(shí)間：2015-11-17
軟物質(zhì)的實(shí)例教程
會(huì)議期間，中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)軟物質(zhì)力學(xué)工作組舉行了第一次全體會(huì)議；全體參會(huì)者圍繞會(huì)議主題進(jìn)行了壁報(bào)展示和交互研討。
閉幕式上，軟物質(zhì)力學(xué)工作組對(duì)評(píng)議產(chǎn)生的5項(xiàng)優(yōu)秀壁報(bào)進(jìn)行了表彰。
來(lái)源：中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)
北京化工大學(xué)軟物質(zhì)科學(xué)與工程高精尖中心胡君教授課題組一直致力于天然產(chǎn)物功能材料及體系的構(gòu)建，其核心是通過(guò)分子基元的設(shè)計(jì)與合成，利用各種非共價(jià)鍵力與分子組裝技術(shù)制備功能材料，揭示天然有機(jī)分子在超分子組裝和高分子材料中的普適規(guī)律，拓展其在生物醫(yī)藥和農(nóng)用助劑中的應(yīng)用。
近期，他們采用天然三萜(triterpenes)水凝膠原位自發(fā)還原重金屬離子的方法，構(gòu)建了具有良好導(dǎo)電性、電化學(xué)活性、生物相容性和力學(xué)性能的雜化凝膠，并在一定程度上實(shí)現(xiàn)了重金屬離子污染的“變廢為寶”。他們通過(guò)對(duì)天然三萜化合物甘草次酸(glycyrrhetic acid, GA)進(jìn)行簡(jiǎn)單化學(xué)修飾，得到其單磷酸酯分子(MGP)，并在氫鍵和范德華力的驅(qū)動(dòng)下形成超分子水凝膠。將該凝膠放置于含重金屬離子的水溶液中，水凝膠可以原位自發(fā)地將重金屬離子還原成相應(yīng)的金屬納米顆粒，且納米顆粒很好的分散在凝膠的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，減少粒子團(tuán)聚的同時(shí)，增強(qiáng)了雜化凝膠的力學(xué)性能(圖1)。
圖1 MGP水凝膠原位自發(fā)還原生成金納米顆粒的過(guò)程示意圖及凝膠透射電鏡圖
該雜化凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)活性和導(dǎo)電性，且其導(dǎo)電性隨水凝膠中水含量的降低逐漸升高(圖2a)。他們還研究了MGP水凝膠對(duì)不同重金屬離子的還原能力。依據(jù)重金屬離子的氧化還原電勢(shì)，MGP水凝膠可以不同程度地將Au3+、Pd2+、Cu2+、Ni2+、Fe2+、Zn2+等離子從模型廢水中萃取出來(lái)，并還原成相應(yīng)的納米顆粒，吸附在凝膠纖維上，實(shí)現(xiàn)了由廢水離子到導(dǎo)電雜化材料的轉(zhuǎn)變(圖2b)。此外，在細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中該雜化凝膠表現(xiàn)出較低的細(xì)胞毒性，具有良好的生物相容性。
圖2 MGP雜化凝膠的導(dǎo)電性(a)及萃取率與氧化還原電勢(shì)關(guān)系圖(b)
相關(guān)成果發(fā)表在ACS Appl. Mater.
展開 日前，四川大學(xué)吳凱副研究員和南京理工大學(xué)傅佳駿教授聯(lián)合報(bào)道了一種基于精細(xì)填料和聚合物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的導(dǎo)熱自修復(fù)軟材料。研究團(tuán)隊(duì)巧妙地設(shè)計(jì)了基于氮化硼納米片(BNNS)和液態(tài)金屬(LM)的雜化功能填料，并將其嵌入具有自修復(fù)功能的聚（脲-氨基甲酸酯）彈性體（PUUE）中，平衡了傳統(tǒng)功能復(fù)合材料中導(dǎo)熱性能、機(jī)械柔軟以及自修復(fù)性能之間的矛盾。這種先進(jìn)的導(dǎo)熱復(fù)合材料在熱界面材料、電子封裝材料和柔性電子產(chǎn)品中有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)工作發(fā)表在RSC材料旗艦期刊 Materials Horizons上。
圖1 具有優(yōu)異機(jī)械性能的高導(dǎo)熱\自修復(fù)\柔性軟物質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)示意圖
柔性電子產(chǎn)品在下一代消費(fèi)電子市場(chǎng)中占據(jù)重要的地位，相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展有望在下一次工業(yè)革命中發(fā)揮關(guān)鍵作用。未來(lái)柔性電子設(shè)備朝著高功率密度、小型化和多功能集成的方向發(fā)展，有效耗散運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量對(duì)于避免電子元件的永久性損壞、提高可靠性和延長(zhǎng)使用壽命具有重要意義。理想柔性散熱材料應(yīng)同時(shí)滿足以下四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：(1)具有合適的機(jī)械性能：柔軟而堅(jiān)韌，可變形且可恢復(fù)；(2)在正常狀態(tài)和變形狀態(tài)下均具有高導(dǎo)熱性；(3)具有穩(wěn)定的電絕緣性能；(4)具有高效的室溫自愈能力，可恢復(fù)受損區(qū)域的機(jī)械損傷、導(dǎo)熱及絕緣功能。然而，對(duì)于絕緣材料，受限于其中基于聲子傳遞的導(dǎo)熱機(jī)制，柔性(低模量)和導(dǎo)熱性能通常難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)；高比例剛性填料阻礙聚合物鏈運(yùn)動(dòng)，損害材料室溫下自愈能力與回復(fù)能力，難以平衡自修復(fù)和高填料比間的矛盾。
展開 軟物質(zhì)
軟物質(zhì)是處于固體和理想流體之間的一切物質(zhì)，包括液晶、聚合物、膠體、生物膜、泡沫、生物大分子(DNA和蛋白質(zhì)等)及顆粒物質(zhì)等。
軟物質(zhì)在自然界、生命體系、日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中廣泛存在，已被人類研究使用了許多世紀(jì)。但由于其復(fù)雜性，這類物質(zhì)的奇異特性和一般運(yùn)動(dòng)規(guī)律尚未得到很好的認(rèn)識(shí)。20世紀(jì)80年代末開始將軟物質(zhì)作為一類普遍物質(zhì)形態(tài)進(jìn)行研究時(shí)，曾用復(fù)雜流體來(lái)稱呼這類物質(zhì)。這種稱呼顯然不恰當(dāng)，作為人類最早接觸的軟物質(zhì)——橡膠，就不是流體。現(xiàn)在，復(fù)雜流體已被正確的軟物質(zhì)概念所代替。
弱力強(qiáng)反應(yīng)
一顆紐扣電池可使液晶手表成年累月地走個(gè)不停，一滴鹵汁可使一杯豆?jié){變成豆腐，這都表明作為軟物質(zhì)的液晶、豆?jié){能對(duì)外界微小的作用作出強(qiáng)烈的反 應(yīng)。橡膠硫化處理技術(shù)便利用了軟物質(zhì)的這一基本特性。天然橡膠每200個(gè)碳原子中，只要有一個(gè)原子與硫發(fā)生反應(yīng)，就會(huì)使橡膠的碳?xì)滏溸B成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使 膠乳從液態(tài)變成固態(tài)。
經(jīng)硫化處理的橡膠在宏觀尺度上是固體，但微觀尺度上(如用核磁共振檢測(cè))仍然是局部液體。因此，這種固體表現(xiàn)得特別柔軟。軟物質(zhì)的“軟”的含義和物理本質(zhì)就表現(xiàn)在這層意義上。
線形鏈
聚合物是由一種或幾種簡(jiǎn)單單體聚合而成的長(zhǎng)鏈化合物。日常生活中接觸的物質(zhì)很多都可歸于長(zhǎng)鏈聚合物，如木頭、糧食、紡織品、塑料及絕大部分的生 物材料。數(shù)百年前人們懂得了從木漿中提取纖維素制造人造纖維，但在很長(zhǎng)一段時(shí)間中，人們滿足于制造這些物質(zhì)，而缺乏對(duì)它們的研究，未認(rèn)識(shí)到它們是由線形長(zhǎng) 鏈聚合物組成的。1920年前后，德國(guó)施陶丁格創(chuàng)立高分子線形鏈學(xué)說(shuō)，證明存在由簡(jiǎn)單分子組成的線形聚合物。其實(shí)，由簡(jiǎn)單單體聚合而成的聚合物在室溫下是 相當(dāng)柔軟且具有很多構(gòu)型的，帶有很大的熵。
展開 由活性軟物質(zhì)構(gòu)成的傳感、驅(qū)動(dòng)、信號(hào)傳輸?shù)墓δ芷骷O(shè)計(jì)需要解決軟物質(zhì)的力學(xué)性能、多場(chǎng)激勵(lì)下的變形響應(yīng)規(guī)律、強(qiáng)度可靠性、動(dòng)態(tài)控制等一系列的基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題。軟物質(zhì)力學(xué)是固體力學(xué)的新分支、新方向，為推動(dòng)軟物質(zhì)力學(xué)方向的發(fā)展，縮短與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，急需加強(qiáng)交流合作，凝練研究特色，促進(jìn)固體力學(xué)新分支的快速發(fā)展。鑒于此，西安交通大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、航天航空學(xué)院自2015年發(fā)起并主辦“軟機(jī)器與力學(xué)國(guó)際研討會(huì)”系列會(huì)議。
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軟物質(zhì)的最新內(nèi)容
描述介質(zhì)物理現(xiàn)象的本構(gòu)方程受耦合效應(yīng)影響，需要針對(duì)具有物理現(xiàn)象建立專門的
偏微分方程(Partial Differential Equation)
，比如多孔介質(zhì)中的滲流，水凝膠等軟物質(zhì)的流固耦合。
2.固體和流體在界面接觸。流體載荷影響固體運(yùn)動(dòng)，固體運(yùn)動(dòng)又反過(guò)來(lái)影響流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)，這種相互影響是通過(guò)耦合界面的能量和信息交換實(shí)現(xiàn)。
在理論方面，主要是在流形、非歐幾何、表面界面、軟物質(zhì)等方面。而在應(yīng)用方面的典型例子包括：3D打印、擴(kuò)散張量成像(DTI)、擴(kuò)散張量纖維束成像(DTT)等已經(jīng)大量應(yīng)用于臨床、頁(yè)巖氣開采中的水力壓裂等。顯示出連續(xù)介質(zhì)力學(xué)這門學(xué)科不是束之高閣的理論框架，而是在工程應(yīng)用和人類自身需求的醫(yī)學(xué)等中擁有巨大生命力的學(xué)科。
生物膜是軟物質(zhì)，可以將其抽象成柔性曲面。不難想象，柔性曲面幾何形狀的任何漲落，都會(huì)誘導(dǎo)曲率張量的擾動(dòng)。那么，怎樣才能最有效地度量曲率張量的擾動(dòng)量？
當(dāng)時(shí)，作者借鑒彈性力學(xué)，用虛位移概念刻畫柔性曲面的漲落。于是，很自然地，就把曲率張量的擾動(dòng)量視為“曲率張量的變分”。
如何快速計(jì)算曲率張量的變分？
第①講：GROMACS建模方法和策略 【5月11日（本周三）20:00】
第②講：GROMACS結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)分析【5月12日（本周四）20:00】
第③講：GROMACS自由能計(jì)算方法介紹【5月13日（本周五）20:00】
講師：田文得 蘇州大學(xué) 教授
# 美國(guó)密西根大學(xué)安娜堡分校化學(xué)工程系訪問(wèn)學(xué)者
# 主要從事軟凝聚態(tài)物理及交叉領(lǐng)域研究，致力于從微觀到介觀尺度軟物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的表征
軟物質(zhì)濕滑材料在受力剪切條件下通常會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的彈性變形，這不僅對(duì)滑動(dòng)界面實(shí)現(xiàn)低摩擦狀態(tài)不利，而且會(huì)引起材料力學(xué)疲勞甚至結(jié)構(gòu)破壞，加速磨損的產(chǎn)生。
來(lái)自洛桑理工學(xué)院費(fèi)德拉爾分校的學(xué)者利用顯微制造、FNITE元素模擬、光片顯微鏡和機(jī)器人顯微操作被用來(lái)顯示覆蓋在上皮皮膚上的膠原凝膠是形狀可編程的軟物質(zhì)。該過(guò)程涉及由機(jī)械擾動(dòng)引起的固體到流體的轉(zhuǎn)變，在組織界面產(chǎn)生空間分布的表面應(yīng)力，并且服從加法和減法制造技術(shù)。通過(guò)指導(dǎo)基材的各種模塑、雕刻和組裝形式的形態(tài)形成，本文展示了這種用于工程設(shè)計(jì)者的策略的健壯性和多功能性。
由于這些流體系統(tǒng)均是可變形的軟物質(zhì)，作者將這一技術(shù)命名為“微流控軟制造”。根據(jù)自組裝的次序不同，流體模板可歸類為單個(gè)液滴和氣泡、1維陣列、2維和3維組裝體。
圖2.
圖1 具有優(yōu)異機(jī)械性能的高導(dǎo)熱\自修復(fù)\柔性軟物質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)示意圖
柔性電子產(chǎn)品在下一代消費(fèi)電子市場(chǎng)中占據(jù)重要的地位，相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展有望在下一次工業(yè)革命中發(fā)揮關(guān)鍵作用。未來(lái)柔性電子設(shè)備朝著高功率密度、小型化和多功能集成的方向發(fā)展，有效耗散運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量對(duì)于避免電子元件的永久性損壞、提高可靠性和延長(zhǎng)使用壽命具有重要意義。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/advs.202102627
李劍宇教授團(tuán)隊(duì)致力于新型生物材料設(shè)計(jì)開發(fā)和機(jī)理研究，目前的研究方向包括軟物質(zhì)力學(xué)、生物粘合劑、再生醫(yī)學(xué)、止血材料、手術(shù)器械和智能設(shè)備開發(fā)。
圖1 離散型嵌段共聚物分子形狀與自組裝結(jié)構(gòu)
近期，華南理工大學(xué)華南軟物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)高等研究院董學(xué)會(huì)教授團(tuán)隊(duì)合成了一系列化學(xué)結(jié)構(gòu)相似但具有不同側(cè)鏈長(zhǎng)度的單體（圖2a），結(jié)合迭代指數(shù)增長(zhǎng)合成法和高效偶聯(lián)反應(yīng)，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的序列和組成，構(gòu)建了一系列具有精確化學(xué)結(jié)構(gòu)、均一鏈長(zhǎng)和特定幾何形狀的離散型聚合物（圖2b）；并將這些幾何特征引入到離散型嵌段共聚物（圖2c），定量研究了幾何形狀對(duì)嵌段共聚物自組裝行為的貢獻(xiàn)
