北理工陳煜教授團隊 AFM：瓊脂/兩性離子水凝膠用于溫度自感知和電響應(yīng)驅(qū)動

2024-01-10 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：瓊脂/兩性離子水凝膠驅(qū)動器力學(xué)韌性電刺激響應(yīng)

水凝膠驅(qū)動器可以通過收縮、膨脹或彎曲將pH值、光、溫度、磁場和電場等外部刺激轉(zhuǎn)化為機械運動。其中，電響應(yīng)水凝膠驅(qū)動器因其能耗低、響應(yīng)速度快、在外部電場刺激下可實現(xiàn)精確的“開/關(guān)”過程而備受關(guān)注。盡管目前的研究已經(jīng)證明了電響應(yīng)水凝膠的大變形和快速響應(yīng)的特點，但大多數(shù)研究中的電響應(yīng)水凝存在響應(yīng)電壓范圍較窄的問題。

針對這一問題，北京理工大學(xué)材料學(xué)院陳煜教授團隊聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)Nam-Joon Cho教授團隊，采用一種簡單、可控的預(yù)成型后增強和機械壓制方法，將聚兩性離子引入對溫度敏感的瓊脂基質(zhì)中，制備了一種多功能的瓊脂/兩性離子水凝膠驅(qū)動器（圖1）。這種水凝膠驅(qū)動器顯示了具有良好的機械性能、粘附性能，可以同時對高壓和低壓電場做出快速響應(yīng)，并且具有人眼可識別的溫度自感知能力，展現(xiàn)出了在軟機器人和受控運輸粘附物質(zhì)方面的應(yīng)用潛力，為構(gòu)建一類兼具良好力學(xué)韌性和優(yōu)異電刺激響應(yīng)行為的多功能水凝膠提供了指導(dǎo)。

圖1. Agar/PSBMA 水凝膠的合成。

Agar/PSBMA水凝膠的物理/化學(xué)雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及機械壓制法能有效提高水凝膠的機械性能（圖2）。壓制后Agar/PSBMA水凝膠的斷裂能達到5740 J m^-2，是壓制前水凝膠的11倍。此外，壓制后的水凝膠在50次加載-卸載循環(huán)后的拉伸強度保持率為 100%，這表明水凝膠優(yōu)異的抗疲勞能力。

圖2. Agar/PSBMA 水凝膠的力學(xué)測試。

由于PSBMA兩性離子基團之間強烈的靜電作用，產(chǎn)生了最高臨界溫度轉(zhuǎn)變（UCST）的溫敏行為，因此Agar/PSBMA水凝膠驅(qū)動器可以實現(xiàn)溫度自感知。隨著溫度的變化，Agar/PSBMA水凝膠在10-40 ℃溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出不同透明度的變化趨勢（圖3），而這種溫度自感知現(xiàn)象是由材料本身實現(xiàn)的，無需其他傳感裝置，因此可用于水凝膠驅(qū)動過程中溫度的監(jiān)測，防止過熱現(xiàn)象的發(fā)生。

圖3. Agar/PSBMA 水凝膠的溫度自感應(yīng)特知。

Agar/PSBMA水凝膠電響應(yīng)驅(qū)動器具有良好的高壓響應(yīng)性（圖4），彎曲角度可以在1秒內(nèi)增加到86°，機械壓制法確保了水凝膠在循環(huán)致動過程中不易斷裂。其也具有良好的低壓響應(yīng)性。在15V的低壓下，Agar/PSBMA水凝膠驅(qū)動器可在30分鐘內(nèi)表現(xiàn)出55°的最大彎曲角度，電壓的增加可以增加水凝膠驅(qū)動器的最大彎曲角和響應(yīng)速度。Agar/PSBMA水凝膠可以粘附質(zhì)量為自重十倍的物體并推動其向電極方向移動，因此，這種驅(qū)動器有可能用作智能推桿，控制被粘附物體的推進運輸。

圖4. 水凝膠的高壓電響應(yīng)性能測試。

該成果以“Versatile Agar-Zwitterion Hybrid Hydrogels for Temperature Self-Sensing and Electro-Responsive Actuation”為題發(fā)表在TOP期刊Advanced Functional Materials上。北京理工大學(xué)和新加坡南洋理工大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生楊玨瑩和北京理工大學(xué)碩士研究生黃煒婷為共同第一作者，北京理工大學(xué)材料學(xué)院陳煜教授和新加坡南洋理工Nam-Joon Cho教授為論文共同通訊作者。該工作受到北京市自然科學(xué)基金、國家留學(xué)基金委和新加坡教育部的資金支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202313725

下載：Versatile Agar-Zwitterion Hybrid Hydrogels for Temperature Self-Sensing and Electro-Responsive Actuation

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（責(zé)任編輯：xu）

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