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  智能受激形變材料可在諸如溫度、pH、光照等環(huán)境條件變化時主動地發(fā)生形狀變化，是許多高附加值器件的核心部件，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、智能制造等領(lǐng)域已顯示出誘人的應(yīng)用前景。在這些器件應(yīng)用中，材料形變行為的多樣性與可控性至關(guān)重要。然而，由于受激形變過程中傳質(zhì)傳熱等推動力逐漸變小，材料的形變往往是由快到慢的連續(xù)漸變過程。

圖1. 基于機械失穩(wěn)的捕蠅草非連續(xù)突變捕蠅過程（Forterre Y, et al., Nature, 2005, 433, 421）

另一方面，自然界顯示出了一些與之不同的奇妙現(xiàn)象。例如捕蠅草捕食昆蟲的過程，就是由慢變快的非連續(xù)突變過程（圖1）。其原理是捕蠅草葉片可發(fā)生機械失穩(wěn)的翹曲結(jié)構(gòu)。受到這種結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院謝濤教授、趙騫副教授課題組與力學(xué)系李鐵風副教授合作，以環(huán)境敏感水凝膠為例，開發(fā)了一種可實現(xiàn)可逆非連續(xù)突變的智能材料結(jié)構(gòu)。在前期基于超分子粘結(jié)的水凝膠模塊組裝（Advanced Materials, 2014, 26, 5565）的工作基礎(chǔ)上，研究者將預(yù)拉伸后的環(huán)境敏感水凝膠模塊進行組裝，構(gòu)筑了具有彈性能壘的雙穩(wěn)態(tài)水凝膠結(jié)構(gòu)。環(huán)境條件變化時，水凝膠組裝體在翻越彈性能壘的過程中，發(fā)生緩慢的形變；一旦越過能壘，組裝體就將發(fā)生快速變形，從而實現(xiàn)非連續(xù)突變。更重要的是，在不同刺激條件下，組裝體的突變可以被不斷可逆地觸發(fā)，比捕蠅草的非可逆突變更進了一步（圖2與圖3）。該研究在近期的Materials Horizons（DOI: 10.1039/C6MH00167J）上發(fā)表，被選為當期的內(nèi)底封面，并被Chemistry World與Scientific American等媒體報道。

圖2. 凹凸盤結(jié)構(gòu)水凝膠組裝體的可逆突變

圖3. 曲臂結(jié)構(gòu)水凝膠組裝體的可逆突變

該研究將大大拓展水凝膠的變形方式。類似的機理還有望推廣到形狀記憶聚合物與液晶彈性體等其他受激形變高分子體系中。