![]()
智能高分子材料因其对环境刺激的响应性而在众多领域展现出巨大潜力。智能高分子材料能够感知外界环境细微变化与刺激而发生膨胀、收缩等相应的自身调节。其应用范围很广，如用于传感器、驱动器、显示器、光通信、药物载体、生物催化、生物技术、智能催化剂、智能粘合剂与人工肌肉等领域。随着材料学的研究逐渐向深度发展，研究者们迫切需要对智能材料材料的作用机理，结构变化及影响其性能的因素进行更深入的研究。
对智能材料进行检测的手段有很多，常规的例如电镜测试、流变测试等往往需要较复杂的样品前处理过程，且这些测试都是破坏性测试，测试后的材料无法重复利用。一种能够原位表征材料性能且对材料无破坏性的测试方法愈发急迫。低场核磁共振技术原位表征为解决上述挑战提供了有效的工具，它利用水分子作为探针，通过检测氢质子的弛豫信号来研究样品的物理化学特性。该技术无需对样品进行复杂前处理，能够实时、连续、非破坏性地监测材料表面或内部微观结构的动态过程和物理化学性质的变化。具有高灵敏度、高精度、高可靠性等特点。广泛应用于研究材料的结构、性能、反应动力学、热力学等方面，有助于深入了解材料的本质和优化其各项性能。超弹性材料在大应变下具有非线性弹性响应，而水凝胶通常由于交联不均匀和链段有限而具有较低的弹性范围。清华大学的王朝课题组通过引入可逆的珍珠项链结构，其中珠子由线连接，开发了一种具有更宽弹性范围的超弹性水凝胶。亚纳米级的珠子可以在循环机械应变下高效地展开和折叠，因此，水凝胶可以在被拉伸至超过10000%的面积应变后迅速恢复。此外，水凝胶可以迅速从针刺和切割等轻微机械损伤中恢复。他们使用了低场核磁设备对水凝胶中水含量对材料的影响进行了分析 ，该结果发表在《SCIENCE》杂志上。![]()
在开发具有可调节摩擦特性的凝胶材料对于软体机器人、防污和关节保护等应用领域至关重要。然而，由于凝胶表面能量耗散要求的相互矛盾，实现在极端黏性和滑动状态之间的可逆切换仍然是一个巨大的挑战。目前东华大学的武培怡课题组引入了一种自适应双连续氟化凝胶，可在不同温度下将润滑和附着力分离。在该研究中通过低场核磁设备测量了氟化物组分在氟凝胶中的迁移分布情况（图2）。通过对核磁信号进行反演后，拟合出体系内自由链、悬挂链和交联链的比例（图3）。又使用低场核磁共振设备的变温功能，对变温状态下的氟凝胶中PPFHEA和PFPE组分的流动性变化进行了原位测试。通过变温状态下，PPFHEA的信号峰型的变化完全可逆，表明氟凝胶具有极佳的结构可逆性。![]()
图2： 室温下19F核磁共振谱图
![]()
图3： 自由链、悬挂链和交联链的比例
![]()
图4： 变温状态的T2图谱和自由链、悬挂链和交联链的比例
近年来，柔性电子设备因其多样化的应用潜力而备受瞩目。水凝胶材料因其独特的性质，如离子和电子导电性、电解质渗透性以及结构上的灵活性，对于提升电池、超级电容器和柔性传感器等储能设备的耐用性和安全性至关重要。特别是在提高水凝胶的抗冻性能方面，这对于拓展柔性材料的应用范围具有显著意义。本研究中，我们通过将纤维素纳米纤维、聚乙烯醇（PVA）和二甲基亚砜（DMSO）作为纳米增强材料，并结合不同盐溶液，成功制备了具有卓越抗冻性能的水凝胶。低场核磁共振技术的表征结果显示，随着盐浓度的降低，水凝胶中刚性组分的比例相应增加。这种高性能水凝胶有望在水系锌离子电池的制造中发挥关键作用。![]()
图5： -40℃下的弛豫图谱，样品1-3的盐溶液添加量依此减少随着智能高分子材料在医疗、能源、环保等关键领域的应用不断拓展，低场核磁共振技术在智能材料表征中的未来发展趋势显得尤为重要。该技术以其独特的优势，如低成本、操作简便、快速无损检测等，正逐渐成为提供精确物理化学特性分析的首选方法，这对于挖掘智能材料在新兴产业中的潜在价值至关重要。特别是在开发具备自修复、自响应等智能特性的高分子材料时，能够为机器人传感器、穿戴设备等应用提供关键的材料内部结构和动力学信息。未来，低场核磁共振技术将集中在提高分析精度、拓展应用领域、促进产业化技术发展，以及加强与其他先进技术的融合，从而为智能材料的研究和应用提供更加强有力的技术支持。若您对以上应用感兴趣，欢迎联系：18512123062
扫码添加客服微信，了解更多应用案例
![]()
说明：本文部分素材来自于稀瑞材料、DT新材料，本平台发布仅为了传达一种不同观点，不代表对该观点赞同或支持。如果有任何问题，请联系我们：18094560191（微信同号）
![]()
