CIQTEK SEM unterstützt Veröffentlichung in Advanced Functional Materials über temperaturgesteuerte adhäsive Hydrogele
CIQTEK SEM unterstützt Veröffentlichung in Advanced Functional Materials über temperaturgesteuerte adhäsive Hydrogele
July 16, 2025
Das Team von Professor Lai Yuekun von der Universität Fuzhou hat innovative Forschung betrieben, um den dringenden Bedarf an stark haftenden Hydrogelen in Bereichen wie tragbaren Sensoren, Softrobotik, Tissue Engineering und Wundverbänden zu decken. Derzeit stehen grenzflächenklebende Materialien vor zwei großen technischen Herausforderungen: Erstens ist es schwierig, einen schnellen und reversiblen Wechsel zwischen haftendem und nicht haftendem Zustand zu erreichen; zweitens ist die Haftung in Umgebungen mit mehreren Flüssigkeiten unzureichend.
Kürzlich führte das Team eingehende Studien mit dem
CIQTEK Rasterelektronenmikroskop
.
Das PANC/T-Hydrogel wurde aus Acrylamid (AAm), N-Isopropylacrylamid (NIPAM), einer mizellaren Lösung aus Natriumdodecylsulfat/Methyloctadecylmethacrylat/Natriumchlorid (SDS/OMA/NaCl) und Phosphorwolframsäure (PTA) synthetisiert. Dynamische Wechselwirkungen zwischen PNIPAM-Ketten und SDS ermöglichten bedarfsgerechte Haftung und Trennung. Durch weiteres Einweichen in Fe³⁺-Lösung entstand das PANC/T-Fe-Hydrogel, das in verschiedenen feuchten Umgebungen eine starke Haftung aufweist. Dies führte zur Entwicklung eines intelligenten, schnell reagierenden Hafthydrogels, das unter verschiedenen Feuchtigkeitsbedingungen kontrollierte Haftung und Trennung ermöglicht.
Die Studie wurde veröffentlicht in
Fortschrittliche Funktionsmaterialien
unter dem Titel „Temperaturvermittelte, kontrollierbare Klebehydrogele mit bemerkenswerten Nasshaftungseigenschaften basierend auf dynamischen Wechselwirkungen zwischen den Ketten.“
Synthese und strukturelle Eigenschaften eines steuerbaren adhäsiven Hydrogels
PANC/T-Fe-Hydrogel wird durch Copolymerisation von hydrophilem AAm, amphiphilem NIPAM und hydrophobem OMA synthetisiert. PTA fungiert als Vernetzer und bildet Wasserstoffbrücken mit Aminogruppen an Polymerketten, um ein stabiles Netzwerk aufzubauen. Das Team entdeckte, dass Wechselwirkungen zwischen NIPAM und SDS entscheidend für die temperaturempfindliche Haftung des Hydrogels sind. Bei niedrigeren Temperaturen kristallisiert SDS und haftet an PNIPAM-Ketten, wodurch die funktionellen Haftgruppen daran gehindert werden, mit Substraten zu interagieren, was die Haftung verringert. Bei steigender Temperatur schmelzen SDS-Kristalle, wodurch der Kontakt zwischen Haftgruppen und Substraten verbessert und die Haftung deutlich erhöht wird. PTA verbessert die Haftung bei höheren Temperaturen durch physikalische Wechselwirkung mit Polymeraminogruppen; diese Wechselwirkung schwächt sich beim Erhitzen ab, wodurch das Hydrogel weicher wird und mehr Haftstellen entstehen. Die dynamische Regulierung zwischen Polymerketten ermöglicht eine reversible, bedarfsgerechte Haftung.
Abbildung 1. Hydrogelsynthese und Mechanismus der reversiblen Nasshaftung.
Temperaturregulierungsmechanismus der Haftleistung
Durch Vergleichsexperimente bestätigte das Team, dass der synergistische Effekt von NIPAM und der Mizellenlösung entscheidend für die temperaturempfindliche Haftung des Hydrogels ist. Ergebnisse der Differenzial-Scanning-Kalorimetrie (DSC) deuten darauf hin, dass die Temperaturreaktion nicht mit der unteren kritischen Lösungstemperatur (LCST) von NIPAM zusammenhängt, sondern durch NIPAM-SDS-Wechselwirkungen beeinflusst wird, welche die SDS-Kristallisationstemperatur verändern. In-situ-FT-IR-Tests zeigten, dass steigende Temperaturen die Wasserstoffbrücken zwischen den Ketten schwächen, mehr Haftgruppen freisetzen und die Haftung verbessern. Rheologische Analysen bestätigten zudem temperaturabhängige Veränderungen der molekularen Wechselwirkungen, die zu einer Veränderung des Hydrogels von starr zu flexibel führen.
Abbildung 2. Mechanismusstudie der temperaturempfindlichen Haftung.
Bedarfsgerechte Haftung und starke Nasshaftung
PANC/T-Fe-Hydrogel weist eine bedarfsgerechte Haftung ohne externe Energiezufuhr auf, die durch einfache Eisanwendung erreicht wird. Bei Raumtemperatur (25 °C) ist das Hydrogel weich und stark haftend, sodass es sich nur schwer rückstandsfrei von Glas abziehen lässt. Die Eisbehandlung verbessert den inneren Zusammenhalt und die Elastizität, erleichtert ein sanftes Ablösen und verringert die Haftkraft. Die Haftung blieb über mehrere Zyklen zwischen 5 °C und 25 °C stabil und zeigte eine gute Reversibilität. Die kontrollierbare Haftung des Hydrogels unter verschiedenen Umgebungsbedingungen birgt erhebliches Potenzial für die Gewebeheilung, Materialreparatur und Aktuatoren in feuchten Umgebungen.
Abbildung 3. Leistungstest der reversiblen Haftung.
Nasshaftungsleistung in verschiedenen Flüssigkeitsumgebungen
Das Hydrogel zeigt auch in flüssigen Umgebungen hervorragende Eigenschaften. Die Copolymerketten enthalten sowohl hydrophile als auch hydrophobe Einheiten. Nach der Fe³⁺-Behandlung wandern diese Segmente und ordnen sich auf der Oberfläche neu an, wodurch eine starke Haftung sowohl in Wasser als auch in Öl ermöglicht wird.
CIQTEK SEM3100
Das Team beobachtete strukturelle Veränderungen vor und nach der Fe³⁺-Einweichung, was eine Neuordnung des Polymernetzwerks bestätigte. Studien zum Einfluss von NIPAM und PTA zeigten, dass ihre kombinierte Wirkung eine hervorragende Haftung in trockenen, wässrigen und öligen Umgebungen ergab, wobei die Haftfestigkeiten 121 kPa, 227 kPa bzw. 213 kPa erreichten. Das Hydrogel haftet stark an verschiedenen Substraten, darunter Glas, Metall und Holz, und behält seine gute Haftung in mehreren organischen Lösungsmitteln und wässrigen Lösungen.
Abbildung 4. Nasshaftungsleistung in verschiedenen Flüssigkeitsumgebungen.
Abbildung S10. SEM-Bilder des Hydrogelquerschnitts vor und nach der Fe³⁺-Behandlung zeigen eine Lockerung des Netzwerks.
Reparaturleistung bei beschädigten Materialien
PANC/T-Fe-Hydrogel bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für die temporäre Reparatur beschädigter Materialien. Beispielsweise stoppt das Hydrogel bei Leckreparaturtests an Bootsmodellen schnell Flüssigkeitslecks; die reparierten Boote halten bestimmten Gewichten stand, ohne auszulaufen. Bei der Reparatur beschädigter Substrate in Wasser und Öl hält das Hydrogel maximalen Berstdrücken von 57 kPa bzw. 49 kPa stand. Die Anwendung auf Eis ermöglicht eine einfache und rückstandsfreie Entfernung – ein wertvolles Merkmal für biomedizinische und intelligente Materialanwendungen, das großes praktisches Potenzial birgt.
Abbildung 5. Temporäre Reparaturleistung des PANC/T-Fe-Hydrogels.
In dieser Studie wurde erfolgreich ein PANC/T-Fe-Hydrogel synthetisiert, das sich durch starke Haftung in verschiedenen Umgebungen und reversible On-Demand-Haftung auszeichnet. Sie verdeutlichte, wie dynamische Wechselwirkungen zwischen den Ketten die Haftleistung beeinflussen, und lieferte theoretische Grundlagen für neuartige intelligente Klebstoffe. Die On-Demand-Haftung benötigt keine externe Energie und kann durch Eisanwendung erreicht werden. Dies bietet einen neuen Ansatz für intelligente Klebstoffe in flüssigen Umgebungen. Diese innovative Steuerung der Haftleistung dürfte breite Anwendungen ermöglichen und intelligente Klebstofftechnologien voranbringen und so neue Lösungen für haftungsbezogene Herausforderungen bieten.
Analytisch Schottky Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FESEM) CIQTEK SEM4000Pro ist ein analytisches FE-REM-Modell, ausgestattet mit einer Schottky-Feldemissionselektronenkanone mit hoher Helligkeit und langer Lebensdauer. Sein dreistufiges elektromagnetisches Linsendesign bietet erhebliche Vorteile in analytischen Anwendungen wie EDS/EDX, EBSD, WDS und mehr. Das Modell ist standardmäßig mit einem Niedervakuummodus und einem leistungsstarken Niedervakuum-Sekundärelektronendetektor sowie einem einziehbaren Rückstreuelektronendetektor ausgestattet, der die Beobachtung schlecht leitender oder nichtleitender Proben erleichtert.
Ultrahohe Auflösung Wolframfilament-Rasterelektronenmikroskop Der CIQTEK SEM3300 Rasterelektronenmikroskop (REM) Das System nutzt Technologien wie Supertunnel-Elektronenoptik, Inlens-Elektronendetektoren und elektrostatische und elektromagnetische Verbundobjektive. Durch die Anwendung dieser Technologien auf das Wolframfilament-Mikroskop wird die langjährige Auflösungsgrenze solcher Rasterelektronenmikroskope überschritten. Dadurch können mit dem Wolframfilament-REM Niederspannungsanalysen durchgeführt werden, die bisher nur mit Feldemissions-REMs möglich waren.
Ultrahochauflösende Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM) Der CIQTEK SEM5000X ist ein ultrahochauflösendes FESEM mit optimiertem Elektronenoptiksäulendesign, das die Gesamtaberrationen um 30 % reduziert und eine ultrahohe Auflösung von 0,6 nm bei 15 kV und 1,0 nm bei 1 kV erreicht. Seine hohe Auflösung und Stabilität machen es vorteilhaft für die Forschung an fortschrittlichen nanostrukturellen Materialien sowie für die Entwicklung und Herstellung hochtechnologischer Halbleiter-IC-Chips.
Hochleistungs- und universelles Wolframfilament-REM Mikroskop Der CIQTEK SEM3200 SEM-Mikroskop Das SEM3200 ist ein hervorragendes universelles Wolframfilament-Rasterelektronenmikroskop (REM) mit herausragenden Gesamtfunktionen. Seine einzigartige Doppelanoden-Elektronenkanonenstruktur gewährleistet eine hohe Auflösung und verbessert das Bild-Rausch-Verhältnis bei niedrigen Anregungsspannungen. Darüber hinaus bietet es eine breite Palette an optionalem Zubehör, was das SEM3200 zu einem vielseitigen Analysegerät mit hervorragenden Erweiterungsmöglichkeiten macht.
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