刺激響應(yīng)的形變聚合物材料在軟驅(qū)動、生物器件、柔性電子等方面存在巨大的潛在應(yīng)用價值。常見的水凝膠基形變材料一般基于水分子與高分子聚合物鏈之間的作用變化，在通過空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計之后，能實現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)、褶皺甚至是跳躍等復(fù)雜形變。然而，目前的形變水凝膠材料在制備完之后，形變路徑無法實現(xiàn)改變，因而不能實現(xiàn)可編程的可逆形變。而形狀記憶水凝膠能根據(jù)需求實現(xiàn)不同臨時形狀的記憶，從而實現(xiàn)可編程的形變路徑。
近日，浙江大學(xué)謝濤教授、趙騫副教授和潘鵬舉教授合作報道了一種基于“瞬時各向異性結(jié)構(gòu)”機(jī)理的可編程形變水凝膠材料。通過N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）與丙烯酸十八酯（SA）的共聚，制備得到的水凝膠具有可熔融轉(zhuǎn)變的十八酯片段和能發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變的PNIPAM鏈段，兩種轉(zhuǎn)變的協(xié)同作用能以一種不同尋常的方式操縱水凝膠的分子構(gòu)象，從而實現(xiàn)高度靈活的形變行為（如圖1a）。
如圖1所示，作者首先利用廣角和小角X射線衍射法分析了溶脹水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)，并研究了不同SA含量對水凝膠疏水微區(qū)、水含量及力學(xué)性能的影響。在此基礎(chǔ)上，SA-0.08水凝膠材料被用于可逆形變行為的研究，并證明相比于水凝膠的體積變化，PNIPAM鏈的構(gòu)象變化是可逆驅(qū)動背后的主要機(jī)制。
接下來，作者著重研究了SA-0.08水凝膠的可逆驅(qū)動動力學(xué)（如圖2所示）。通過在15 ℃和45 ℃水環(huán)境中的切換，該水凝膠能在不同形狀之間實現(xiàn)可逆變換，并且再次證明驅(qū)動過程與水凝膠的溶脹過程無關(guān)。
通過在15 ℃水中的長時間浸泡（30 h），水凝膠的臨時形狀能被擦除，從而實現(xiàn)宏觀形變、微觀圖案等的可編程化轉(zhuǎn)變（如圖3所示）。
為了了解這其中的潛在機(jī)理，作者研究了在15 ℃冷水中的浸泡時間對水凝膠形變行為的影響（如圖4所示）。研究發(fā)現(xiàn)，水凝膠在冷水中會實現(xiàn)緩慢的結(jié)構(gòu)松弛與轉(zhuǎn)變，隨著浸泡時間的延長，水凝膠中原本可用于固定臨時形狀的取向結(jié)構(gòu)會逐漸消失，從而為下一次的臨時形狀的編輯提供可能。
最后，作者給出機(jī)理，認(rèn)為：最初始的水凝膠中PNIPAM鏈處于松弛狀態(tài)，水凝膠表現(xiàn)出各向同性；在熱水中編程的過程中，疏水的硬脂酸酯區(qū)域被拉伸，并且由于疏水作用，球狀的PNIPAM會聚集在硬脂酸酯區(qū)域周圍，從而使得宏觀結(jié)構(gòu)得到固定，此時，由于鏈的拉伸，PNIPAM球狀體也表現(xiàn)出各向異性；冷卻后，PNIPAM球狀物吸收水，并慢慢實現(xiàn)鏈的解取向過程，但由于硬脂酸酯區(qū)域的存在減緩了PNIPAM鏈構(gòu)象的轉(zhuǎn)變，從而使該轉(zhuǎn)變不能在短時間內(nèi)彎成（如2 h）。這種可編程的水凝膠驅(qū)動器大大擴(kuò)展了未來智能水凝膠器件的設(shè)計范圍。
文章鏈接：
