浙江大學趙騫/潘鵬舉《AM》:基於“瞬時各向異性”的可編程水凝膠驅動器

刺激響應的形變聚合物材料在軟驅動、生物器件、柔性電子等方面存在巨大的潛在應用價值。常見的水凝膠基形變材料一般基於水分子與高分子聚合物鏈之間的作用變化,在通過空間異質結構的設計之後,能實現彎曲、扭轉、褶皺甚至是跳躍等復雜形變。然而,目前的形變水凝膠材料在制備完之後,形變路徑無法實現改變,因而不能實現可編程的可逆形變。而形狀記憶水凝膠能根據需求實現不同臨時形狀的記憶,從而實現可編程的形變路徑。

浙江大學趙騫/潘鵬舉《AM》:基於“瞬時各向異性”的可編程水凝膠驅動器

近日,浙江大學謝濤教授趙騫副教授潘鵬舉教授合作報道瞭一種基於“瞬時各向異性結構”機理的可編程形變水凝膠材料。通過N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)與丙烯酸十八酯(SA)的共聚,制備得到的水凝膠具有可熔融轉變的十八酯片段和能發生體積相轉變的PNIPAM鏈段,兩種轉變的協同作用能以一種不同尋常的方式操縱水凝膠的分子構象,從而實現高度靈活的形變行為(如圖1a)。

浙江大學趙騫/潘鵬舉《AM》:基於“瞬時各向異性”的可編程水凝膠驅動器
圖1. P(NIPAM-co-SA)水凝膠的合成、性能及可逆的形變。a) 水凝膠的合成和熱敏轉變。不同SA含量下,水凝膠的b) WAXS數據,c) 15 ℃下的水含量及d) 機械性能。e) SA-0.08水凝膠在15 ℃下直條狀和45 oC下的“Ω”型的可逆形變圖。f) SA-0.08水凝膠在15 ℃下和45 ℃下的可逆角度變化。g) 不同SA含量下的水凝膠驅動角度。

如圖1所示,作者首先利用廣角和小角X射線衍射法分析瞭溶脹水凝膠的微觀結構,並研究瞭不同SA含量對水凝膠疏水微區、水含量及力學性能的影響。在此基礎上,SA-0.08水凝膠材料被用於可逆形變行為的研究,並證明相比於水凝膠的體積變化,PNIPAM鏈的構象變化是可逆驅動背後的主要機制。

接下來,作者著重研究瞭SA-0.08水凝膠的可逆驅動動力學(如圖2所示)。通過在15 ℃和45 ℃水環境中的切換,該水凝膠能在不同形狀之間實現可逆變換,並且再次證明驅動過程與水凝膠的溶脹過程無關。

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圖2. SA-0.08水凝膠在15 ℃和45 ℃下的可逆形變。a) 一個彎曲循環的驅動動力學。b,c) 水凝膠在15 ℃水中2h, 在45 ℃水中2min循環過程中的彎曲角度和水含量。d-g) 水凝膠片的多樣形狀改變。

通過在15 ℃水中的長時間浸泡(30 h),水凝膠的臨時形狀能被擦除,從而實現宏觀形變、微觀圖案等的可編程化轉變(如圖3所示)。

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圖3. SA-0.08水凝膠的可編程可逆形變。a) 從“Ω”型到螺旋型的可編程宏觀形狀。b) 從“ZJU”字母到光柵圖案的可編程表面圖案。水凝膠被結晶紫染色。

為瞭瞭解這其中的潛在機理,作者研究瞭在15 ℃冷水中的浸泡時間對水凝膠形變行為的影響(如圖4所示)。研究發現,水凝膠在冷水中會實現緩慢的結構松弛與轉變,隨著浸泡時間的延長,水凝膠中原本可用於固定臨時形狀的取向結構會逐漸消失,從而為下一次的臨時形狀的編輯提供可能。

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圖4.可逆形變的機械研究。a) SA-0.08水凝膠在45 ℃(2min)中的驅動角度。b) SA-0.08水凝膠在15 ℃水中固定不同時間的WAXS圖像。c) SA-0.08水凝膠的二維SAXS圖像在形變過程中的微觀結構變化。水凝膠在45 ℃水中拉伸200% (3 min)。d) 可逆形變的機理圖。

最後,作者給出機理,認為:最初始的水凝膠中PNIPAM鏈處於松弛狀態,水凝膠表現出各向同性;在熱水中編程的過程中,疏水的硬脂酸酯區域被拉伸,並且由於疏水作用,球狀的PNIPAM會聚集在硬脂酸酯區域周圍,從而使得宏觀結構得到固定,此時,由於鏈的拉伸,PNIPAM球狀體也表現出各向異性;冷卻後,PNIPAM球狀物吸收水,並慢慢實現鏈的解取向過程,但由於硬脂酸酯區域的存在減緩瞭PNIPAM鏈構象的轉變,從而使該轉變不能在短時間內彎成(如2 h)。這種可編程的水凝膠驅動器大大擴展瞭未來智能水凝膠器件的設計范圍。

文章鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001693

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