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合工大:新型水凝胶驱动器可定向形变自动愈合
2019年6月10日
     合肥工业大学4日消息,一种具有自愈合能力的新型各向异性水凝胶驱动器近日在该校研发成功,为制备人工肌肉、软体机器人等领域所需的新型软性材料开辟了理论路径。相关成果以“Anisotropic and self-healing hydrogels with multi-responsive actuating capability”为题发表在英国《自然。通讯》上。

  生物体的大多数组织在分子到宏观尺度各层面上均具有各向异性形态和结构,从而实现特定方向上的行为和功能。研发具有各向异性网络结构的软性材料,是未来新型柔性智能驱动器件的关键和技术瓶颈。而目前大多数水凝胶通过均匀、非定向的聚合物链生长合成,其各向同性结构无法实现定向的形变或功能。

  合肥工业大学化学与化工学院从怀萍教授课题组与中国科学技术大学俞书宏教授研究团队合作,采用将金属纳米颗粒的可控二维组装结构作为高分子自由基聚合过程中的交联剂并诱导聚合物链生长的设计策略,成功研制出具有高度有序层状网络结构的聚合物/纳米复合水凝胶。利用凝胶网络在不良溶剂中的高分子链收缩行为,这一具有各向异性结构特征的新型材料可在水平和垂直等特定方向上实现收缩与拉伸形变功能。

合工大:新型水凝胶驱动器可定向形变自动愈合

图1. 高度有序层状网络结构的各向异性水凝胶的制备过程

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图2. 高度有序层状网络结构的各向异性水凝胶结构表征图

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图3.凝胶材料的各向异性机械性能。

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图4.凝胶在抗缺口敏感性(a)、光学(b)以及溶胀过程(c)上的各向异性性能。

  据论文第一作者秦海利博士介绍,这一方法适用于金、银、铜、铂等多种金属材料。基于该材料具备的切线弹性模量、抗缺口敏感、光学以及溶胀等多种各向异性行为,该团队提出了一种新型的修复诱导集成的器件组装方法,实现了如机械臂抬起和机械手抓取等复杂驱动行为。同时,利用在金属纳米颗粒与高分子链间巧妙引入动态金属-巯基配位作用,该材料具有快速而高效的响应修复能力,在激光或酸性溶液的刺激下,其破损部位可迅速实现自愈合,从而具有使用寿命长、安全性高等优点。

合工大:新型水凝胶驱动器可定向形变自动愈合

图5.各向异性水凝胶在近红外光以及酸性介质中的自修复行为。

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图6. 不良溶剂诱导下的各向异性驱动器行为。

  上述工作得到了国家自然科学基金、国际合作项目、国家重点基础研究发展计划、新世纪优秀人才支持计划、中央高校基本科研业务费专项资金、安徽省自然科学基金、合肥大科学中心卓越用户基金等项目的资助。

 

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