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中科院兰州化物所周峰研究员团队发表聚合物刷综述文章
2019-06-26  来源:欢乐时时彩

  材料表面的理化性质往往决定者其功能性,表面接枝聚合物是改变材料表面原有理化性能的重要方法之一,该方法主要是通过化学键将待修饰聚合物连接到材料表面上,以此改善基材本身的性能,进而获得功能性材料。近期,中国科学院兰州化学物理研究所周峰研究员团队(网址http://www.licp.cas.cn/zfz/)受Nature 出版集团旗下学术刊物NPG Asia Materials的邀请,撰写了题为“Brushing up functional materials”的综述论文(影响因子8.052)。该论文综述了近10年以来国内外主要科研机构在聚合物刷制备方法以及材料领域取得的重要进展。该论文的第一作者为固体润滑国家重点实验室麻拴红助理研究员,通讯作者为周峰研究员,论文得到了科技部重大研发计划、国家自然科学基金、中国科协“青年人才托举工程”计划和中国科学院多外合作项目的支持。

  该论文首先简要介绍了制备聚合物刷的现有方法,评述了各种方法的优势和缺点,然后介绍了如何利用现有方法发展功能性材料,详细概述了聚合物刷在润湿、减阻、摩擦、防污、催化、生物、驱动以及电子器件等领域的应用(图1)。作者指出,尽管聚合物刷材料已经得到了人们的广泛关注,但在实际应用中还未得到真正意义上的应用,大多停留在基础研究的领域的阶段。近年来研究者们已经将研究重心逐渐地从表面物理化学性质向基础应用研究迁移,这将会对聚合物刷的未来产生深远而有意义的影响。然而,任何一种材料在得到实际应用之前,必须是在性能与成本之间的平衡选择。因此,发展新型的制备技术也尤为重要。现有的表面引发原子转移自由基聚合技术(SI-ATRP)存在金属催化剂难以除尽、需要惰性气体保护、单体难以重复利用等问题,严重限制了聚合物刷的实际应用。一些新的环保的表面引发接枝聚合技术,例如光引发接枝聚合技术、电引发接枝聚合技术以及聚多巴胺引发接枝聚合技术,必将大大推进聚合物刷材料的实际应用步伐。特别是最近几年,人们也逐渐意识到了聚合物刷在生物医学领域的潜在应用价值,如医疗器械,生物材料植入体等,聚合物刷的存在大大地改善了器件润滑、抗菌抗污和生物相容性,必将成为未来几年的研究热点。此外,响应性的聚合物刷作为一类重要的聚合物,也将呈现出重要的理论及应用研究价值,在生物监测、药物运输、生物传感、自修复涂层、智能仿生表面等领域收到关注。

图 1. 表面接枝聚合物刷技术及聚合物基功能性材料

  据悉,近10年以来周峰研究员课题组围绕表面引发接枝聚合物刷,从聚合方法学到功能材料做出了一系列的创新性工作。针对目前表面引发聚合存在一系列问题,如单体利用率低、反应条件苛刻、可控性较差等,发展了一系列通过外界刺激来调控聚合过程的新方法(Accounts of Chemical Research, 2015, 48 (2) : 229–237)。例如发展了电化学引发原子转移自由基聚合技术(SI-eATRP),该技术解决传统SI-ATRP聚合反应过程中条件苛刻,需惰性气体保护、单体重复利用以及聚合过程中可控性差的问题(J. Am. Chem. Soc., 2013,135, 1708-1710、Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 5092-5095);利用染料敏化的 TiO2 纳米颗粒作为光敏剂来引发 ATRP 聚合,使聚合反应条件更加温和,扩展了可聚合的单体,实现多种单体的接枝聚合和聚合物刷的可控制备(ACS Macro Lett., 2013, 2, 592–596、Macro. Rapid Commun. 2014, 35(14) ,1287-1292);发展了基于微升级别单体溶液的牺牲阳极原子转移自由基聚合技术(Sa-ATRP)(Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 9125-91290), 解决了传统聚合过程中单体的浪费和重复利用问题; 发现紫外光照射下聚多巴胺涂层表面能够产生活性自由基,可引发丙烯酸基活性单体的可控聚合,实现在通用基材表面生长聚合物刷(Chem. Sci., 2015, 6, 2068-2073.);针对聚合物刷机械剥离后无法重复接枝问题,将ATRP引发剂嵌入到了聚合物基材网络中,实现了聚合物刷层在基材表面的连续接枝,拓展了聚合物刷的应用范围(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55: 4260-4264);针对聚合物刷层承载和抗磨性能较差问题,发展了亚表面引发原子转移自由基聚合技术(SCIENTIA SINICA Chimica, 2018, 48 , 1611-1618),提高了聚合物刷的机械耐受性,推进了聚合物刷的工程应用。

  基于上述原创性的化学接枝技术,周峰研究员课题组发展了一系列功能性材料,包括低摩擦仿生润滑材料、高承载和抗磨损型仿生关节软骨材料、多尺度防污材料、多介质响应软驱动材料、限域催化材料以及集水分离材料等,相关成果发表SCI论文50余篇,申请专利多项。

  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41427-019-0121-2

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