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北理工陳煜教授團隊 AFM：瓊脂/兩性離子水凝膠用于溫度自感知和電響應驅動

2024-01-10 來源：高分子科技

水凝膠驅動器可以通過收縮、膨脹或彎曲將pH值、光、溫度、磁場和電場等外部刺激轉化為機械運動。其中，電響應水凝膠驅動器因其能耗低、響應速度快、在外部電場刺激下可實現精確的“開/關”過程而備受關注。盡管目前的研究已經證明了電響應水凝膠的大變形和快速響應的特點，但大多數研究中的電響應水凝存在響應電壓范圍較窄的問題。

針對這一問題，北京理工大學材料學院陳煜教授團隊聯合新加坡南洋理工大學Nam-Joon Cho教授團隊，采用一種簡單、可控的預成型后增強和機械壓制方法，將聚兩性離子引入對溫度敏感的瓊脂基質中，制備了一種多功能的瓊脂/兩性離子水凝膠驅動器（圖1）。這種水凝膠驅動器顯示了具有良好的機械性能、粘附性能，可以同時對高壓和低壓電場做出快速響應，并且具有人眼可識別的溫度自感知能力，展現出了在軟機器人和受控運輸粘附物質方面的應用潛力，為構建一類兼具良好力學韌性和優異電刺激響應行為的多功能水凝膠提供了指導。

圖1. Agar/PSBMA 水凝膠的合成。

Agar/PSBMA水凝膠的物理/化學雙網絡結構以及機械壓制法能有效提高水凝膠的機械性能（圖2）。壓制后Agar/PSBMA水凝膠的斷裂能達到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-卸載循環后的拉伸強度保持率為 100%，這表明水凝膠優異的抗疲勞能力。

圖2. Agar/PSBMA 水凝膠的力學測試。

由于PSBMA兩性離子基團之間強烈的靜電作用，產生了最高臨界溫度轉變（UCST）的溫敏行為，因此Agar/PSBMA水凝膠驅動器可以實現溫度自感知。隨著溫度的變化，Agar/PSBMA水凝膠在10-40 ℃溫度范圍內表現出不同透明度的變化趨勢（圖3），而這種溫度自感知現象是由材料本身實現的，無需其他傳感裝置，因此可用于水凝膠驅動過程中溫度的監測，防止過熱現象的發生。

圖3. Agar/PSBMA 水凝膠的溫度自感應特知。

Agar/PSBMA水凝膠電響應驅動器具有良好的高壓響應性（圖4），彎曲角度可以在1秒內增加到86°，機械壓制法確保了水凝膠在循環致動過程中不易斷裂。其也具有良好的低壓響應性。在15V的低壓下，Agar/PSBMA水凝膠驅動器可在30分鐘內表現出55°的最大彎曲角度，電壓的增加可以增加水凝膠驅動器的最大彎曲角和響應速度。Agar/PSBMA水凝膠可以粘附質量為自重十倍的物體并推動其向電極方向移動，因此，這種驅動器有可能用作智能推桿，控制被粘附物體的推進運輸。

圖4. 水凝膠的高壓電響應性能測試。

該成果以“Versatile Agar-Zwitterion Hybrid Hydrogels for Temperature Self-Sensing and Electro-Responsive Actuation”為題發表在TOP期刊Advanced Functional Materials上。北京理工大學和新加坡南洋理工大學聯合培養博士研究生楊玨瑩和北京理工大學碩士研究生黃煒婷為共同第一作者，北京理工大學材料學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基金、國家留學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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（責任編輯：xu）

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