Instant Thermal Switching from Soft Hydrogel to Rigid Plastics Inspired by Thermophile Proteins

材料科学 自愈水凝胶 聚合物 韧性 玻璃化转变 化学工程 离子键合 疏水效应 热稳定性 丙烯酸 混溶性 复合材料 高分子化学 共聚物 有机化学 离子 化学 工程类
作者
Takayuki Nonoyama,Yong Woo Lee,Kumi Ota,K. Fujioka,Wei Hong,Jian Ping Gong
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:32 (4) 被引量:156
标识
DOI:10.1002/adma.201905878
摘要

Proteins of thermophiles are thermally stable in a high-temperature environment, adopting a strategy of enhancing the electrostatic interaction in hydrophobic media at high temperature. Herein, inspired by the molecular mechanism of thermally stable proteins, the synthesis of novel polymer materials that undergo ultrarapid, isochoric, and reversible switching from soft hydrogels to rigid plastics at elevated temperature is reported. The materials are developed from versatile, inexpensive, and nontoxic poly(acrylic acid) hydrogels containing calcium acetate. By the cooperative effects of hydrophobic interaction and ionic interaction, the hydrogels undergo significant spinodal decomposition and subsequent rubbery-to-glassy transition when heated to an elevated temperature. As a result, the gels exhibit super-rapid and significant hikes in stiffness, strength, and toughness by up to 1800-, 80-, and 20-folds, respectively, when the temperature is raised from 25 to 70 °C, while the volumes of the gels are almost unchanged. As a potential application, the performance of the materials as athletic protective gear is demonstrated. This work provides a pathway for developing thermally stiffened materials and may significantly broaden the scope of polymer applications.
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