大部分生物組織呈現(xiàn)凝膠狀態(tài)并具有各項(xiàng)異性結(jié)構(gòu)，在生物體的變形及運(yùn)動中發(fā)揮了重要作用。制備含有各項(xiàng)異性結(jié)構(gòu)的水凝膠并賦予其可控變形及運(yùn)動功能具有重要的科學(xué)意義。目前，采用剪切、拉伸、電場等方法誘導(dǎo)取向可以制備含有單一取向結(jié)構(gòu)的水凝膠。這些凝膠在外界刺激下，表現(xiàn)出各向異性的響應(yīng)性。但是，制備含有復(fù)雜取向結(jié)構(gòu)、多種響應(yīng)性的水凝膠及其軟驅(qū)動器仍存在挑戰(zhàn)。浙江大學(xué)高分子系鄭強(qiáng)、吳子良團(tuán)隊與拜羅伊特大學(xué)Josef Breu教授、浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院趙鵬教授合作，采用多步旋轉(zhuǎn)磁場誘導(dǎo)納米片取向以及光模板引導(dǎo)局部聚合的方法，制備了含有復(fù)雜取向結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合水凝膠，實(shí)現(xiàn)了多種刺激下的可控變形以及模式可調(diào)節(jié)的定向運(yùn)動。
采用的磁性納米片具有特殊的三明治結(jié)構(gòu)，納米片表面含有高密度電荷，夾層為具有超順磁性和光熱轉(zhuǎn)化能力的γ-Fe2O3納米粒子。在靜態(tài)磁場作用下，納米片沿著磁軸方向取向，聚合后得到各向異性水凝膠。進(jìn)一步采用旋轉(zhuǎn)磁場誘導(dǎo)納米片沿著磁場旋轉(zhuǎn)平面取向，得到具有高度取向結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合水凝膠。在溫度和光照射刺激下，該水凝膠會發(fā)生各項(xiàng)異性伸縮變形。
通過多步磁場取向與光聚合，制備了含有復(fù)雜取向結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合水凝膠，在偏光顯微鏡下呈現(xiàn)出不同顏色的雙折射圖案。通過調(diào)節(jié)偏光板、530 nm檢板與圖案化水凝膠的相對位置，可以在偏光顯微鏡下觀察到不同的雙折射圖案，實(shí)現(xiàn)圖案和數(shù)字信息的隱藏與選擇性顯示。在外界刺激下，不同局部的響應(yīng)性差異導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力的形成，圖案化水凝膠發(fā)生三維變形。
利用圖案化水凝膠的多響應(yīng)性及可控變形的特點(diǎn)，采用磁場調(diào)節(jié)凝膠與基板之間的摩擦力，進(jìn)一步通過動態(tài)光掃射驅(qū)動水凝膠在基板上進(jìn)行不同模式的定向運(yùn)動。該研究表明，通過磁場誘導(dǎo)取向與光模板引導(dǎo)局部聚合相結(jié)合的方法，可在水凝膠構(gòu)筑復(fù)雜、可控的取向結(jié)構(gòu)，在外界刺激下實(shí)現(xiàn)可控變形及定向運(yùn)動。該方法適用于其他磁性粒子，有助于新型軟驅(qū)動器、軟機(jī)器人的發(fā)展。
論文信息及鏈接：
Chen Fei Dai, Olena Khoruzhenko, Chengqian Zhang, Qing Li Zhu, Dejin Jiao, Miao Du, Josef Breu*, Peng Zhao*, Qiang Zheng*, Zi Liang Wu*, Magneto-Orientation of Magnetic Double Stacks for Patterned Anisotropic Hydrogels with Multiple Responses and Modulable Motions, Angew. Chem. Int. Ed.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202207272
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