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浙江大學趙騫《材料化學》光開關動態網絡時間編程自主變形水凝膠

3月
22
2021

2021年3月22日17時 高分子材料科學

高分子材料科學

科研摘要

響應性材料通常需要外部刺激才能觸發。相比之下,時間可編程材料表現出具有獨特吸引力的自主無觸發響應。然而,它在很大程度上尚未被充分利用的分子促成機制阻止了它擴展到功能多樣的裝置中。最近,浙江大學趙騫教授團隊題出堅韌的水凝膠中的動態離子鍵可以是一種有效且普遍適用的時間編程機制。這導致異常的變形行為,無需任何外部觸發即可精確操縱。

在水凝膠網絡中進一步摻入可光轉換的動態二硫鍵,引入了另一種用於幾何形變路徑的空間控制的機制。時間可編程性和光可定義性的協同作用使人們可以使用多功能變形裝置,其功能超越了傳統系統。相關論文以題為Autonomous Shapeshifting Hydrogels via Temporal Programming of Photoswitchable Dynamic

Network發表在《Chemistry of Materials》上。

主圖見析

圖1.正交動態網絡的設計以及對其變形行為進行編程的分子機制。(a)單體和交聯劑的分子結構。(b)二硫化物交換的光塑性。(c)通過離子交換進行時間編程的分子機制。

圖2.離子水凝膠的時間編程行為。(a)DHx水凝膠的機械性能。(b)DHx水凝膠的楊氏模量和膨脹率。(c)摺疊測試,以評估回收率。(d)比較水凝膠的應變恢復動力學。(e)在不同的編程時間下DH25的恢復動力學:1、30、180和720分鐘。(f)DH25的時空編程和恢復。標識為(i),(ii)和(iii)的區域分別對應於1分鐘,30分鐘和180分鐘的編程時間。比例尺為5毫米。

圖3.通過光致可塑性永久性重塑。(a)DH25的保形性和照射時間之間的相關性。(b)宏觀重塑的照片。比例尺為5毫米。(c)通過壓印順序重塑表面圖案。比例尺為50μm。(d)具有多尺度結構的水凝膠蜻蜓。左邊兩幅圖像的比例尺為5 mm,右邊兩幅圖像的比例尺為10μm。

圖4.通過結合光致可塑性和時間編程實現的變形。(a)兩把自摺疊椅子具有不同的恢復動力學。(b)舉重運動員,起立快,起舉慢。(c)由於受到時間控制的部署,支架被困在不同的位置。所有比例尺均為5毫米。

總結

該工作開發了具有正交動態交聯的3D自主形變水凝膠。由光響應性二硫鍵交聯提供的可塑性和由離子交聯實現的時間可編程性被併入水凝膠網絡中。將可塑性用於將平面水凝膠永久成型為3D幾何形狀。通過調節離子交聯鍵,水凝膠具有較大的時間窗口,可用於操縱離子交換介導的形狀恢復動力學。這為通過簡單地改變變形時間而在大範圍內調整相同材料的變形速度提供了基礎,這一過程稱為時間編程。時間編程允許以無觸發的方式實現對變形行為的控制。光塑性和時間可編程性的結合提供了製造與最常見的刺激響應性裝置截然不同的變形裝置的機會。

參考文獻:

10.1021/acs.chemmater.0c04375

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