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北京工業(yè)大學(xué)趙治、宋曉艷教授團隊《Chem. Mater.》：貝類絲足結(jié)構(gòu)仿生水凝膠實現(xiàn)可持續(xù)的無水泥土壤加固
2022-12-01  來源：高分子科技

  利用水凝膠替代水泥類材料作為巖土穩(wěn)定劑具有良好的可持續(xù)性與環(huán)境價值。然而，水凝膠遇水吸脹機械性能大幅下降，故而其應(yīng)用場景收到很大局限。受到貝類絲足啟發(fā)，本研究開發(fā)了一種具有良好水下穩(wěn)定性的仿生水凝膠巖土穩(wěn)定劑，在土壤中可自發(fā)形成類似貝類絲足的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有良好的機械強度和優(yōu)異的抗溶脹性能，可在各種自然環(huán)境中保持巖土的穩(wěn)定性。此外，該材料展現(xiàn)出的透水、保水性對生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展也具有促進作用。


圖1 貝類絲足與仿生水凝膠微觀結(jié)構(gòu)的對比


  近期，北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部趙治、宋曉艷教授團隊開發(fā)了一種具有貝類絲足結(jié)構(gòu)的仿生水凝膠材料，并展示了其在可持續(xù)土壤加固中的應(yīng)用。該研究利用協(xié)同作用的分子間氫鍵與疏水團聚作用，使水凝膠固化過程中自發(fā)形成具有纖維狀結(jié)構(gòu)的軟核和具有顆粒狀外觀的硬殼。同時，在表面親水性的影響下，與土壤顆粒接觸的界面處水凝膠會形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并與土壤顆粒形成牢固結(jié)合。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)水凝膠與貝類絲足具有高度的微觀相似性（圖1）。貝類絲足的特征結(jié)構(gòu)使其可在沙灘、礁石等極度潮濕表面穩(wěn)定附著。與之相似，該仿生水凝膠材料也展現(xiàn)出極強的水下穩(wěn)定性與土壤加固能力。在浸泡72小時后，仿生水凝膠加固的土壤無明顯體積膨脹，其抗壓強度仍可保持在1 MPa左右。在環(huán)境測試中，仿生水凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性與光照穩(wěn)定性，并可使加固土壤達到最高2.9 MPa的抗壓強度，與波特蘭水泥相當(dāng)。此外，使用水凝膠加固劑還可賦予土壤良好的透水性與保水性，這對于生態(tài)環(huán)境中動植物的生存具有重要意義（圖2）。綜上，本研究展現(xiàn)的仿生土壤加固劑充分借鑒了生物結(jié)構(gòu)的優(yōu)異機械特性與防水特性，使得在真實環(huán)境中應(yīng)用水凝膠加固土壤成為可能。利用該材料替代水泥有望減少水泥產(chǎn)業(yè)的碳排放、降低現(xiàn)有土壤加固方法對環(huán)境的影響，對可持續(xù)發(fā)展與實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。該工作以“Sustainable Cement-Free Soil Stabilization via a Mussel Mimicry, Water-Resistant Hydrogel”為題發(fā)表在《Chemistry of Materials》上（Chem. Mater., DOI: 10.1021/acs.chemmater.2c02350）。文章第一兼通訊作者是北京工業(yè)大學(xué)趙治教授，共同通訊作者是北京工業(yè)大學(xué)宋曉艷教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金的支持。 


圖2 仿生水凝膠土壤加固劑的環(huán)境測試


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c02350

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