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    合肥工大從懷萍教授課題組和中國科大俞書宏教授課題組《Nat. Commun.》:新型水凝膠驅動器可定向形變自動愈合
    2019-06-06  來源:中國聚合物網

      合肥工業大學4日消息,一種具有自愈合能力的新型各向異性水凝膠驅動器近日在該校研發成功,為制備人工肌肉、軟體機器人等領域所需的新型軟性材料開辟了理論路徑。相關成果以“Anisotropic and self-healing hydrogels with multi-responsive actuating capability”為題發表在英國《自然。通訊》上。

      生物體的大多數組織在分子到宏觀尺度各層面上均具有各向異性形態和結構,從而實現特定方向上的行為和功能。研發具有各向異性網絡結構的軟性材料,是未來新型柔性智能驅動器件的關鍵和技術瓶頸。而目前大多數水凝膠通過均勻、非定向的聚合物鏈生長合成,其各向同性結構無法實現定向的形變或功能。

      合肥工業大學化學與化工學院從懷萍教授課題組與中國科學技術大學俞書宏教授研究團隊合作,采用將金屬納米顆粒的可控二維組裝結構作為高分子自由基聚合過程中的交聯劑并誘導聚合物鏈生長的設計策略,成功研制出具有高度有序層狀網絡結構的聚合物/納米復合水凝膠。利用凝膠網絡在不良溶劑中的高分子鏈收縮行為,這一具有各向異性結構特征的新型材料可在水平和垂直等特定方向上實現收縮與拉伸形變功能。

    圖1. 高度有序層狀網絡結構的各向異性水凝膠的制備過程

    圖2. 高度有序層狀網絡結構的各向異性水凝膠結構表征圖

    圖3.凝膠材料的各向異性機械性能。

    圖4.凝膠在抗缺口敏感性(a)、光學(b)以及溶脹過程(c)上的各向異性性能。

      據論文第一作者秦海利博士介紹,這一方法適用于金、銀、銅、鉑等多種金屬材料。基于該材料具備的切線彈性模量、抗缺口敏感、光學以及溶脹等多種各向異性行為,該團隊提出了一種新型的修復誘導集成的器件組裝方法,實現了如機械臂抬起和機械手抓取等復雜驅動行為。同時,利用在金屬納米顆粒與高分子鏈間巧妙引入動態金屬-巰基配位作用,該材料具有快速而高效的響應修復能力,在激光或酸性溶液的刺激下,其破損部位可迅速實現自愈合,從而具有使用壽命長、安全性高等優點。

    圖5.各向異性水凝膠在近紅外光以及酸性介質中的自修復行為。

    圖6. 不良溶劑誘導下的各向異性驅動器行為。

      上述工作得到了國家自然科學基金、國際合作項目、國家重點基礎研究發展計劃、新世紀優秀人才支持計劃、中央高校基本科研業務費專項資金、安徽省自然科學基金、合肥大科學中心卓越用戶基金等項目的資助。

      論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-10243-8

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