关于申报2023年度天津市科学技术奖提名项目公示

项目名称

扭转取向高性能与功能高分子纤维

提名奖项和等级

奖项：天津市自然科学奖

等级： 一等奖

主要完成单位

南开大学、中国药科大学、东华大学、天津理工大学

主要完成人

刘遵峰、周湘、朱美芳、印寿根、王润

提名单位

南开大学

项目简介

本项目属于化学、能源、材料、纳米前沿交叉学科。

高性能纤维是国防、航空航天等领域的关键材料，提高纤维的强度与韧性是重要的科学前沿和研究难点。通常来说材料的力学强度与韧性是互斥的，因此发展新的结构调控方法，获得兼具高强度与高韧性的纤维材料，并实现优异功能，具有重要的科学意义。针对该研究难点，被推荐人针对“如何调控纤维分子链和聚集态的扭转取向结构，以获得优异的力学性能和独特功能”这一关键科学问题，发展了扭转取向高分子纤维材料新体系，取得了如下创新成果：

1）提出了在凝胶态对纤维捻曲，以实现扭转取向的新策略，克服的强度与韧性互斥的矛盾，解决了多年来困扰纤维领域的单丝捻曲强度降低的挑战性难题，发现了活化能-扭转角力学增强相图，构筑了媲美蛛丝的强韧纤维新材料。

    2）发现了纤维分子链在扭转非线性应力下产生的周期性熵分布规律，提出了纤维扭转制冷的新机制，突破性的将长期徘徊在32%的制冷效率提高到67%，阐明了扭转制冷温度与熵的定量关系，被评价为“重新定义”了弹热制冷的概念：将线性应力拓展到非线性应力。

3）提出了空心纤维扭转取向提高扭矩的新策略，实现了流体驱动快速做功，获得破纪录的做功密度，成果颠覆性的用于飞行员体表加压国防预研项目。

在上述研究基础上，申请人提出了强韧纤维材料设计新原则：在玻璃化温度以上捻曲实现分子链重排和周期性梯度取向，高取向区具有低熵态，实现增强，低取向区具有高熵态和高弹性，实现增韧。

本项目在功能与高性能纤维材料领域共发表学术论文100余篇，总引用13000余次。以通讯作者或第一作者发表论文60余篇，其中包括Science,   Nat. Commun., Adv. Mater., Acc. Chem. Res. 等；授权中国发明专利4项；在多个国内外学术会议上作邀请报告30余次。主持国家杰出青年科学基金、天津市杰出青年基金、2项国家自然科学基金面上项目，2项国家重点研发计划项目/课题，获天津市中青年科技创新领军人才等称号。

该研究为发展高强韧与功能化的高分子纤维材料提供了新的方向和研究思路，有望为国民经济和国防建设所需的高性能纤维材料的发展做出贡献。

发现点/发明点/创新点

1. 提出了在玻璃化转变温度（Tg）以上构筑扭转取向结构的新策略，获得增强的力学性能。利用在凝胶态（Tg以上）分子链高度的运动性，在捻曲应力下聚集态结构发生重构，实现了扭转取向。发展了制备具有“捻曲核壳结构”强韧纤维的新策略，结合多重弱作用协同组装，发展了媲美天然蛛丝强度与韧性的合成高分子纤维新材料。

由代表性论文2、4和发明专利2支撑。

2. 揭示了纤维分子链在扭转取向中产生的周期性熵分布规律，发现了纤维在非线性应力下的弹热制冷新机制。在非线性应力下，高取向的分子链呈现低熵态，可产生明显的制冷效果；低取向的分子链具有高弹性，减少了迟滞效应和净输入功，突破了弹性体在拉伸/收缩循环下的弹热制冷效率一直以来只有32%的瓶颈，达到了67%；揭示了扭转制冷的定量调控原理，发展了多种扭转制冷新材料，拓展了固态制冷技术的范畴。

由代表性论文1支撑。

3. 精准构筑了多组分驱动纤维，揭示了扭转取向结构调控驱动性能的新规律。扭转取向放大了形变下的长度变化，可用作驱动做功。提出了采用空心纤维提高扭矩的新机制，大幅提高做功密度，刷新了热驱动高分子纤维驱动器的世界记录值；发展了多模态驱动纤维和捻曲天然纤维智能响应织物

由代表性论文3-8和发明专利1，2，4支撑。

主要技术支撑材料

1.  代表性论文

1. Torsional refrigeration by twisted, coiled, and   supercoiled fibers. Run Wang^#, Shaoli Fang^#, Yicheng   Xiao, Enlai Gao, Nan Jiang, Yaowang Li, Linlin Mou, Yanan Shen, Wubin Zhao,   Sitong Li, Alexandre F. Fonseca, Douglas S. Galvão, Mengmeng Chen, Wenqian   He, Kaiqing Yu, Hongbing Lu, Xuemin Wang, Dong Qian, Ali E. Aliev, Na Li,   Carter S. Haines, Zhongsheng Liu, Jiuke Mu, Zhong Wang, Shougen Yin, Márcio   D. Lima, Baigang An, Xiang Zhou, Zunfeng Liu*, Ray H. Baughman*. Science, 2019, 366, 216-221.

2. Artificial Spider Silk from Ion-Doped and Twisted   Core-Sheath Hydrogel Fibres, Yuanyuan Dou, Zhen-Pei Wang, Wenqian He,   Tianjiao Jia, Zhuangjian Liu, Pingchuan Sun, Kai Wen, Enlai Gao, Xiang Zhou,   Xiaoyu Hu, Jingjing Li, Shaoli Fang, Dong Qian, Zunfeng Liu*. Nat. Commun., 2019, 10, 5293

3. Microfluidic manipulation by spiral hollow-fibre   actuators. Sitong Li, Rui Zhang, Guanghao Zhang, Luyizheng Shuai, Wang Chang,   Xiaoyu Hu, Min Zou, Xiang Zhou, Baigang An, Dong Qian, Zunfeng Liu*. Nat. Comm., 2022, 13, 1331

4. Protein-Like Nanogel for Spinning Hierarchically   Structured Artificial Spider Silk. Adv.   Mater. Wenqian He, Dong Qian, Yang Wang, Guanghao Zhang, Yao Cheng,   Xiaoyu Hu, Kai Wen, Meilin Wang, Zunfeng Liu*, Xiang Zhou*, Meifang Zhu*. 2022, 34, 2201843.

5. Robust Jumping Actuator with a Shrimp-Shell   Architecture, Kaiqing Yu^#, Xiaozhou Ji^#, Tianyu Yuan^#,   Yao Cheng, Jingjing Li, Xiaoyu Hu, Zunfeng Liu*, Xiang Zhou*, Lei Fang*. Adv Mater., 2021, 33,2104558

6. Moisture Sensitive Smart Yarns and Textiles from   Self-Balanced Silk Fiber MusclesSilk Fiber Muscles. Tianjiao Jia, Yang Wang,   Yuanyuan Dou, Yaowang Li, Monica Jung de Andrade, Run Wang, Shaoli Fang,   Jingjing Li, Zhou Yu, Rui Qiao, Zhuangjian Liu, Yuan Cheng, Yewang Su, Majid   Minary-Jolandan, Ray H. Baughman, Dong Qian, and Zunfeng Liu*. Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1808241

7. Photothermal Bimorph Actuators with In‐Built Cooler for Light Mills, Frequency Switches,   and Soft Robots. Jingjing Li, Rui Zhang, Linlin Mou, Monica Jung de Andrade,   Xiaoyu Hu, Kaiqing Yu, Jinkun Sun, Tianjiao Jia, Yuanyuan Dou, Hong Chen,   Shaoli Fang, Dong Qian, Zunfeng Liu*. Adv.   Funct. Mater. 2019, 29, 1808995.

8.Downsized Sheath-Core   Conducting Fibers for Weavable Superelastic Wires, Biosensors,   Supercapacitors, and Strain Sensors, Hongyan Wang^#, Zunfeng   Liu^#, Jianning Ding, Xavier Lepro, Shaoli Fang, Nan Jiang,   Ninyi Yuan, Run Wang, Qu Yin, Wei Lv, Zhongsheng Liu, Mei Zhang, Raquel   Ovalle-Robles, Kanzan Inoue, Shougen Yin*, Ray H. Baughman*. Adv. Mater.,   2016, 28,4998-5007.

2.  知识产权和标准规范

（格式：知识产权类别，名称，国别，授权号，权利人，发明人）

1. 发明专利，基于蚕丝人工肌肉的智能织物的制备方法，中国，ZL2019101137521，权利人：南开大学，发明人：刘遵峰、贾天骄、陈萌萌、于凯晴、何文倩

2. 发明专利，一种树枝状层状自组装柔性导电膜及其制备方法，中国，ZL202010046387.X，权利人：南开大学，发明人：刘遵峰、陈萌萌、胡晓宇

3. 发明专利，一种人造蜘蛛丝的水凝胶纤维及其制备方法，中国，ZL201911060113.X，权利人：南开大学，发明人：刘遵峰、何文倩、窦园园

4. 发明专利，可扭转的双螺旋纤维状人工肌肉及其制备方法，中国，ZL201910113752.1，权利人：南开大学，发明人：刘遵峰、贾天骄、陈萌萌、于凯晴、何文倩