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北理工陳煜教授團(tuán)隊(duì) 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(dòng)
2024-01-10  來(lái)源：高分子科技

  水凝膠驅(qū)動(dòng)器可以通過(guò)收縮、膨脹或彎曲將pH值、光、溫度、磁場(chǎng)和電場(chǎng)等外部刺激轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。其中，電響應(yīng)水凝膠驅(qū)動(dòng)器因其能耗低、響應(yīng)速度快、在外部電場(chǎng)刺激下可實(shí)現(xiàn)精確的“開(kāi)/關(guān)”過(guò)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(diǎn)，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(wèn)題。


  針對(duì)這一問(wèn)題，北京理工大學(xué)材料學(xué)院陳煜教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)Nam-Joon Cho教授團(tuán)隊(duì)，采用一種簡(jiǎn)單、可控的預(yù)成型后增強(qiáng)和機(jī)械壓制方法，將聚兩性離子引入對(duì)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(dòng)器（圖1）。這種水凝膠驅(qū)動(dòng)器顯示了具有良好的機(jī)械性能、粘附性能，可以同時(shí)對(duì)高壓和低壓電場(chǎng)做出快速響應(yīng)，并且具有人眼可識(shí)別的溫度自感知能力，展現(xiàn)出了在軟機(jī)器人和受控運(yùn)輸粘附物質(zhì)方面的應(yīng)用潛力，為構(gòu)建一類(lèi)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(jī)械壓制法能有效提高水凝膠的機(jī)械性能（圖2）。壓制后Agar/PSBMA水凝膠的斷裂能達(dá)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(qiáng)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(cè)試。


  由于PSBMA兩性離子基團(tuán)之間強(qiáng)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(dòng)器可以實(shí)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(shì)（圖3），而這種溫度自感知現(xiàn)象是由材料本身實(shí)現(xiàn)的，無(wú)需其他傳感裝置，因此可用于水凝膠驅(qū)動(dòng)過(guò)程中溫度的監(jiān)測(cè)，防止過(guò)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(dòng)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(jī)械壓制法確保了水凝膠在循環(huán)致動(dòng)過(guò)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(dòng)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(dòng)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(dòng)其向電極方向移動(dòng)，因此，這種驅(qū)動(dòng)器有可能用作智能推桿，控制被粘附物體的推進(jìn)運(yùn)輸。


圖4. 水凝膠的高壓電響應(yīng)性能測(cè)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(guó)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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