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宁波质料地点多场协同近程控制的水凝胶“变形金刚”范畴获得希望
作者:,日期:2020-12-09
  作为一种新兴的智能质料,外形影象聚合物(SMPs)能呼应外界安慰从而在暂且外形与原始外形之间切换,这种天真的变形才能使得SMPs在包罗生物医学、纺织、柔性电子等很多范畴存在伟大的使用潜力。水凝胶由于具有柔性、质量轻、生物相容性等诸多长处逐步获得研讨者的注重,具无形状影象才能的水凝胶(SMHs)的研讨逐步成为智能质料研讨的一个主要分支。经过在SMHs引入“可逆开关”如氢键、主客体作用、金属配位作用等,使水凝胶可对很多安慰如光、热、化学、超声、电场等做出呼应。但是,不论是传统的外形影象高分子照样新型的外形影象水凝胶,其暂且外形通常由手动付与;且在外形影象历程中,必需要改动质料的“四周情况”(溶液情况、温度情况等),这将明显克制外形影象高分子的使用远景。因而急迫需求开辟一种可以近程可控、法式化操作外形影象质料的新方式。

  比年来,网上游戏宁波质料手艺与工程研讨所智能高分子质料课题组陈涛研讨员与张佳玮研讨员不断努力于智能变形水凝胶的研讨(Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8670; Chem. Sci. 2016, 7, 6715; Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 1284; Chem. Commun. 2018, 54, 1229; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704568; Adv. Sci. 2019, 6, 1801584; Research 2019, 2384347; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 16243; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 19237; Small 2020, 2005461等)。近期,该团队乐成开辟了一种磁、光、热多场协同作用的外形影象水凝胶,在Wiley旗下智能质料与零碎新刊Advanced Intelligent Systems上受邀揭晓题为 “Multi-field synergy manipulating soft polymeric hydrogel Transformers” 的研讨论文,并获得了wiley旗下Advanced Science News的专题报道(https://www.advancedsciencenews.com/a-magnetically-controlled-hydrogel-for-octopus-like-robots/)。

  研讨职员开辟了一种新型光、热、磁控制的水凝胶“变形金刚”,具有非打仗式外形操作和定导游航特征(图1)。制备了具有化学交联聚(N-(2-羟乙基)丙烯酰胺)(PHEAA)和可逆交联明胶(Gelatin)网络的双网络构造水凝胶。明胶是植物胶原的水解产品,链段之间存在少量氢键,随着温度的转变,氢键不停断裂重组,使得明胶在单链和三重螺旋构造之间敏捷变化。行使明胶的可逆变化,可以具有热呼应外形影象功能和自愈合才能。

  在水凝胶中引入Fe3O4纳米颗粒,使水凝胶具有光致加热和磁操控才能。当近红外光(NIR)照射水凝胶时,Fe3O4纳米粒子不停地将光转化为热,使水凝胶被加热。随着温度的降低,明胶的三重螺旋构造会解缠绕成单链,与此同时,水凝胶在磁场作用下变形为暂且外形。随着温度的低落,三螺旋构造再次缠绕以牢固暂且外形。纵然撤失磁场,暂且外形仍可以持续坚持。当再次用NIR照射水凝胶时,明胶网络再次由三螺旋向单链变化,从而促使外形复兴。连系磁场发生的外形操控,以及光诱导的外形牢固和复兴,可以完成非打仗式外形操作举动。

  行使近程非打仗式的外形操控,研讨职员制备了一系列水凝胶软体机械人。由于差别Fe3O4纳米粒子含量的水凝胶在统一能量密度的NIR照射下,外形复兴工夫差别,研讨职员设计了一朵可以次序分步绽放的花朵以模仿天然界的动物对光的敏理性。遭到人健身活动的启示,研讨职员制造了形状惟妙的“水凝胶活动员”,它可以在磁场和NIR的协同作用下举行仰卧起坐活动。别的,由于水凝胶可以被磁铁指导而活动,研讨职员奇妙地设计了一个三爪软机械人,它可以在特制的迷宫中活动转向,更风趣的是,当软机械人遇到小于本身宽度的狭缝时,行使磁、光的多场协同作用,可以临时性地改动本身外形并在经过狭缝后敏捷规复原始外形(图1g)。该事情乐成完成了近程操控水凝胶外形转变,为智能变形凝胶的生长提供了新思绪。

  该事情获得了国度重点研发设计赞助项目(2018YFB1105100),国度天然迷信基金(51873223,52073295),网上游戏青年创新促进会(2017337),网上游戏前沿迷信研讨重点项目(QYZDB-SSW-SLH036)等项目标支持。

图1 高分子水凝胶“变形金刚”

(高分子与复合质料实行室 张大川)