具有3D復雜驅動-智能變色雙功能協同的新型智能
瀏覽次數： 342 發布時間：2017-12-29 09:23:00 發布人：editor
近日，來自中科院寧波材料技術與工程研究所的張佳瑋研究員和陳濤研究員等人在近期的Adv. Funct. Mater.期刊上發表了一篇題為“Bioinspired Anisotropic Hydrogel Actuators with On–Off Switchable and Color-Tunable Fluorescence Behaviors”的文章。文章中介紹了一種新型聚合物水凝膠驅動器的制備方法。研究人員通過宏觀超分子組裝將處于收縮狀態的熱響應石墨烯氧化物-聚(N-異丙基丙烯酰胺)(GO-PNIPAM)水凝膠層與pH敏感的苝二酰亞胺官能化超支化聚乙烯亞胺(PBI-HPEI)水凝膠層組合，從而得到雙層水凝膠;而通過這種雙層水凝膠，研究人員最終得到了三維水凝膠驅動器。這種水凝膠驅動器可以經歷由PNIPAM外層引起的復雜的形狀變形;并且在綠光的照射下，觸發水凝膠驅動器內層的熒光響應。研究人員的這項工作將極大地促進新型仿生智能材料的設計和制造。
圖1 具有協同變形和變色功能的宏觀各向異性復合聚合物水凝膠
a)聚合物水凝膠(MA-SPH)的熒光顏色變化和三維復雜形狀變化;
b)基于主客體相互作用的GO-PNIPAM水凝膠和PBI-HPEI水凝膠之間的粘合性原理。
圖2 PBI-HPEI水凝膠的相關圖示
a)PBI-HPEI水凝膠的pH響應熒光變色原理;
b)PBI-HPEI水凝膠的pH依賴性熒光光譜;
c)在40℃并且溶液pH在2-10之間變化的條件下，PBI-HPEI水凝膠的循環可逆熒光行為。
圖3 水凝膠片層的整合及驅動器的數學模型
通過基于宏觀自組裝的超分子膠水將兩種不同的水凝膠片材整合成雙層水凝膠的過程。
圖4 驅動器1的形變和顏色變化
a)當溫度從20℃變化到40℃時的熱響應彎曲;
b)熱響應彎曲和形狀依賴的顏色變化;
c)形變后pH響應的熒光顏色變化。
圖5 驅動器2的熱響應復雜變形和pH響應熒光變色圖示
a)“仿生章魚”在外界環境刺激下的形變-色變協同過程(a1-a5是俯視圖，a6-a10是側視圖);
b)“仿生章魚”的可逆復原過程(b1-b5是側視圖);
研究人員通過宏觀超分子組裝將收縮狀態的熱響應氧化石墨烯-聚(N-異丙基丙烯酰胺)(GO-PNIPAM)水凝膠層與pH敏感的苝二酰亞胺官能化超支化聚乙烯亞胺(PBI-HPEI)水凝膠層組合，從而得到雙層水凝膠;而通過這種雙層水凝膠，研究人員最終得到了三維水凝膠驅動器。該研究首次實現了智能水凝膠材料的復雜驅動和變色雙功能的協同，在軟體微型機器人、智能開關等智能仿生領域擁有巨大的潛在應用價值，研究人員的這項工作將極大地促進新型仿生智能材料的設計和制造。