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浙大鄭強(qiáng)、吳子良/南科大洪偉《Sci. Adv.》：電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)水凝膠可逆跳轉(zhuǎn)變形
2022-04-14  來(lái)源：高分子科技

  受到外界刺激時(shí)，捕蠅草的葉片通過(guò)快速跳轉(zhuǎn)(snapping)變形實(shí)現(xiàn)獵物的捕獲。通過(guò)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)變形，對(duì)于軟驅(qū)動(dòng)器、軟機(jī)器人的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義。近日，浙江大學(xué)鄭強(qiáng)、吳子良團(tuán)隊(duì)與南方科技大學(xué)洪偉團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了聚電解質(zhì)水凝膠的可逆跳轉(zhuǎn)變形。高度溶脹的聚電解質(zhì)水凝膠受限于低溶脹的中性水凝膠，通過(guò)面外屈曲變形形成具有雙穩(wěn)態(tài)特征的穹頂構(gòu)型。由于聚電解質(zhì)水凝膠具有電場(chǎng)響應(yīng)性，當(dāng)穹頂形凝膠置于鹽溶液并施加電場(chǎng)時(shí)，離子遷移導(dǎo)致凝膠厚度方向形成溶脹梯度，反向彎曲受到幾何結(jié)構(gòu)的阻礙，因而彈性能逐漸累積直到越過(guò)能壘，凝膠發(fā)生快速跳轉(zhuǎn)變形。相關(guān)工作以 “Spontaneous and rapid electro-actuated snapping of constrained polyelectrolyte hydrogels”為題發(fā)表于《Science Advances》。


  通過(guò)多步光聚合制備了具有平面梯度結(jié)構(gòu)的復(fù)合水凝膠（圖1）。中間的聚電解質(zhì)水凝膠具有較高的溶脹能力，但是受到周圍低溶脹水凝膠的限制。因此，聚電解質(zhì)凝膠在純水或低濃度鹽水中溶脹并發(fā)生面外屈曲變形，形成具有雙穩(wěn)態(tài)特征的穹頂構(gòu)型。向上或者向下屈曲的穹頂構(gòu)型具有相同的彈性能，在外力作用下可以越過(guò)能壘，通過(guò)快速跳轉(zhuǎn)變形實(shí)現(xiàn)構(gòu)型的切換。將該凝膠置于Na2SO4溶液中并施加電場(chǎng)，凝膠在電場(chǎng)作用下發(fā)生可逆的跳轉(zhuǎn)變形。

 

圖1. 電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的穹頂形聚電解質(zhì)水凝膠發(fā)生跳轉(zhuǎn)變形。

 

  研究表明，該凝膠的跳轉(zhuǎn)時(shí)間受電場(chǎng)強(qiáng)度、聚電解質(zhì)凝膠荷電密度、Na2SO4溶液濃度的影響。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的上升和凝膠荷電密度的下降，跳轉(zhuǎn)時(shí)間逐漸減小。而隨著鹽水濃度的上升，跳轉(zhuǎn)時(shí)間呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。受限的聚電解質(zhì)水凝膠的跳轉(zhuǎn)變形與電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)自由水凝膠彎曲變形密切相關(guān)；在電場(chǎng)作用下，聚陰離子水凝膠靠近正極的一側(cè)發(fā)生溶脹，凝膠逐漸向負(fù)極方向發(fā)生彎曲變形（圖2）。

 

圖2. 電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)聚電解質(zhì)水凝膠條的彎曲變形

 

  通過(guò)模擬自由離子在電場(chǎng)作用下的遷移行為，并將離子濃度分布與凝膠溶脹、收縮行為相耦合，揭示了電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)水凝膠跳轉(zhuǎn)變形的機(jī)制（圖3）。在電場(chǎng)作用下，陽(yáng)離子向負(fù)極移動(dòng)，導(dǎo)致聚陰離子水凝膠靠近正極一側(cè)發(fā)生溶脹，凝膠向負(fù)極彎曲但受到幾何結(jié)構(gòu)的限制。凝膠內(nèi)部的能量逐漸累積直到越過(guò)能壘，凝膠發(fā)生快速跳轉(zhuǎn)變形，在0.1 s內(nèi)完成構(gòu)型轉(zhuǎn)換并到達(dá)另一穩(wěn)定狀態(tài)，該速度接近捕蠅草。

 

圖3. 模擬電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的聚電解質(zhì)水凝膠彎曲和跳轉(zhuǎn)變形機(jī)制。

 

  利用電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)可逆跳轉(zhuǎn)變形，設(shè)計(jì)了水凝膠光控開(kāi)關(guān)和仿生“捕手”(圖4)。通過(guò)獵物位置識(shí)別、電場(chǎng)自動(dòng)開(kāi)啟、自發(fā)驅(qū)動(dòng)跳轉(zhuǎn)等步驟實(shí)現(xiàn)了智能“抓捕”功能。此外，通過(guò)光控負(fù)反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)方向的自動(dòng)切換，進(jìn)而以具有跳轉(zhuǎn)能力的凝膠作為驅(qū)動(dòng)單元，構(gòu)筑了具有液體輸運(yùn)功能的“脈沖泵”。

 

圖4. 基于電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)跳轉(zhuǎn)變形的水凝膠器件。(A, B) 光控開(kāi)關(guān)。(C, D) 仿生“捕手”。(E-F) “脈沖泵”。

 

  相關(guān)工作發(fā)表于Science Advances，論文第一作者為浙江大學(xué)高分子系博士生李琛煜，通訊作者為浙江大學(xué)吳子良、南方科技大學(xué)洪偉。

 

  文章信息：

  Chen Yu Li, Si Yu Zheng, Xing Peng Hao, Wei Hong, Qiang Zheng, Zi Liang Wu, Spontaneous and rapid electro-actuated snapping of constrained polyelectrolyte hydrogels, Science Advances 2022, 8, eabm9608.

  https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm9608

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