肌肉啟發！研究制備出新型木質基相變材料

近日，東北林業大學王成毓教授、楊海月教授研究團隊與南洋理工大學陳曉東教授團隊合作，通過溶劑響應，制備出一種能夠適應復雜成型的、剛度可切換的木質基復合相變材料(PCMs)。這種生物可降解的木質基PCMs表現出卓越的成型性，為可持續和高效熱管理的各種應用鋪平了道路。相關成果發表在《先進材料》。

受肌肉啟發的可成形木質基PCMs。受訪者供圖

PCMs可以儲存和釋放可再生熱能，對節能建筑和冷鏈物流的可持續熱管理至關重要。傳統的PCM在其相變溫度以上容易泄漏、失去原有的形狀，限制了其形狀穩定性和通用性。因此，引入可生物降解和可成形的支撐材料以保持相變材料在高于相變溫度時其形狀穩定至關重要。

自然界中，在動態環境的驅動下，生物系統已經進化出組織結構來調節機械性能，以防止物理損傷并完成基本運動。例如，肌肉的周期性收縮和釋放，依賴于肌動蛋白和肌球蛋白的交聯和脫粘的相互作用。隨后，隨著鈣水平的降低和ATP消耗的減少，肌球蛋白脫離使肌肉放松。利用這種響應結構，通過構建PCMs響應交聯超分子結構，為制造具有可編程剛度的可成形木質基PCMs提供了參考。

本研究將可生物降解的聚乙烯醇(PVA)加入到具有分層纖維素結構的脫木質素椴木中，制備出具有PVA和纖維素分子響應交聯網絡的PVA/木材水凝膠(PVA/W)。在水合狀態下，由于排列的木纖維和PVA分子之間的氫鍵較弱，這種材料表現出較低的剛度和柔韌性。通過將聚乙二醇處理成氫鍵增強的PVA/木質PEG凝膠，其在硬質和熔融狀態下的拉伸應力從10.14提高到80.86 MPa，剛度從420 MPa提高到4.8 GPa，硬度是此前凝膠的530倍。這種能夠根據溶劑變化而變形的可塑性相變材料有望實現復雜的熱管理設計。

此外，通過生命周期評價，這種可變形、可回收和可生物降解的相變材料具有更低的環境足跡，為傳統的塑料和熱管理材料提供了可持續的替代方案。

相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202406915