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基於高性能天然動物絲的功能化及應用開發材料基礎科學、有機高分子材料、材料合成與加工工藝。

關鍵詞： 天然動物絲，功能化，連續生產，纖維器件。

應用領域

可穿戴器件、功能織物

成果簡介

主要從事天然高分子的基礎性研究工作，在動物絲/絲蛋白「構-效關係」、絲納米組裝體的製備和應用、絲蛋白器件等方面取得了一系列重要研究成果。目前在Nat. Rev. Mater., Chem. Rev., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Matter, Adv. Sci.等雜誌發表論文90餘篇，其中7篇文章入選雜誌封面。獲授權國際專利2項，中國發明專利2項，申請中國專利4項。主要研究成果如下： 1．絲蛋白納米纖維的提取、組裝與應用 針對絲蛋白納米纖維提取及生長過程中的能耗大、污染高以及可控性難等瓶頸問題，申請人根據絲蛋白分子鏈中親水域與疏水域交替排列的特點，建立了絲蛋白分子鏈的粗粒化模型，揭示了絲微納結構的排列規律，提出了具有普適性的非高毒性化學溶劑溶解與低能耗機械剝離相結合的方法，實現了絲介觀結構單元的「從上至下」法全剝離，製備了尺度均勻、形貌可控、易分散、易加工的微纖、納纖和納米顆粒水性漿液[Adv. Mater., 2016, 28, 7783; Adv. Funct. Mater., 2018, 1806380]；同時基於對絲蛋白組裝過程中的誘導因素的研究，發展了基於醇誘導和熱誘導定向生長的「從下至上」組裝方法，實現了再生絲蛋白微纖結構的可控及可擴大生產[Adv. Mater., 2014, 26, 4569; Sci. Adv., 2017, 3, e1601939; Macromol. Rapid Comm., 2021, 42, 2000435]。同時，實現了絲納米組裝體在藥物遞送、超濾分離、有機溶劑回收、柔性傳感器、組織工程等多領域的高效應用，並為絲納米組裝體在電子、環境及生物醫學領域的應用提供了新思路。 2.天然動物絲構效關係解析及其應用設計 針對當前絲蛋白微結構及其界面情況認識不足，絲蛋白複雜的多層級結構導致的絲結構構效關係研究困難等問題，以原位實驗表徵、分子模擬與理論建模相結合的方式對絲的動態力學行為及拉伸斷裂行為進行了研究，建立了具有普適性的可以預測結晶區和非晶區對絲連續動態力學貢獻的本構方程。同時系統研究了絲纖結構與其斷裂過程中裂紋擴展行為之間的關係，揭示了兩者之間的構效關聯[Macromolecules, 2020, 54, 249; ACS Nano, 2018, 12, 69681; Adv. Fiber Mater., 2019, 1, 23]。基於此方面的基礎研究，通過連續強拉絲的方式獲得了內部納米原纖取向更高、界面結合與堆積更強的強拉柞蠶絲。通過紡紗技術與螺旋結構-驅動效率關係計算互相反饋優化的方式製備了驅動功率可編程的濕度響應纖維驅動器[ Adv. Sci., 2020, 7, 1902743]。通過可控表面溶解技術，實現了一系列保持動物絲力學特性的功能纖維（導電性、熱致變色）的連續製備，結合原位監測及分子動力學模擬，建立多種體系複合過程模型，從而獲得複合材料界面的優化。實現了絲蛋白纖維功能材料在自發電、柔性顯示、環境響應變色、人體運動監測等領域的應用[Matter, 2019, 1, 1411; Nano-Micro Lett., 2021, 13, 72; Chem. Eng. J. 2022, 435, 134901]。 3.再生動物絲材料的設計及其特效應用 製備了一系列基於絲蛋白的離子導體凝膠材料，並通過解析絲蛋白離子導體水凝膠電子器件的導電機制，明確了水合質子在其中所起的重要作用，發現了離子凝膠的溫度響應遵循水合質子重排理論及濕度響應遵循滲流理論。在建立基于格子滲流理論的導電模型的基礎上，成功實現了絲蛋白離子導體凝膠的溫度和濕度響應的解耦[Giant, 2021, 5, 100044]。基於此基礎研究開發了一系列絲蛋白離子凝膠基功能材料，實現了再生絲蛋白離子凝膠材料在具有自黏附、自修復、耐低溫、阻燃可預警等多重功能人工電子皮膚中的應用[Adv. Mater. 2021, 33 (38), e2102500; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 23632; Adv. Mater. Tech., 2020, 5, 2000430; ACS Mater. Lett., 2020, 2, 712]。

經濟效益與社會效益

我國作為蠶絲（桑蠶和野蠶）的第一大生產和出口國，對其商品的開發主要集中在傳統紡織品方面。利用天然絲作為材料的特性，開發其在高新技術產業中的新用途，有助於提升我國蠶桑產業的附加值和市場競爭力。研究結果已基本解決功能纖維的連續生產，並在百米內可實現較好的形貌控制。申請中國發明專利3項，獲得授權1項。