大部分生物組織呈現凝膠狀態并具有各項異性結構，在生物體的變形及運動中發揮了重要作用。制備含有各項異性結構的水凝膠并賦予其可控變形及運動功能具有重要的科學意義。目前，采用剪切、拉伸、電場等方法誘導取向可以制備含有單一取向結構的水凝膠。這些凝膠在外界刺激下，表現出各向異性的響應性。但是，制備含有復雜取向結構、多種響應性的水凝膠及其軟驅動器仍存在挑戰。浙江大學高分子系鄭強、吳子良團隊與拜羅伊特大學Josef Breu教授、浙江大學機械工程學院趙鵬教授合作，采用多步旋轉磁場誘導納米片取向以及光模板引導局部聚合的方法，制備了含有復雜取向結構的納米復合水凝膠，實現了多種刺激下的可控變形以及模式可調節的定向運動。
采用的磁性納米片具有特殊的三明治結構，納米片表面含有高密度電荷，夾層為具有超順磁性和光熱轉化能力的γ-Fe2O3納米粒子。在靜態磁場作用下，納米片沿著磁軸方向取向，聚合后得到各向異性水凝膠。進一步采用旋轉磁場誘導納米片沿著磁場旋轉平面取向，得到具有高度取向結構的納米復合水凝膠。在溫度和光照射刺激下，該水凝膠會發生各項異性伸縮變形。
通過多步磁場取向與光聚合，制備了含有復雜取向結構的納米復合水凝膠，在偏光顯微鏡下呈現出不同顏色的雙折射圖案。通過調節偏光板、530 nm檢板與圖案化水凝膠的相對位置，可以在偏光顯微鏡下觀察到不同的雙折射圖案，實現圖案和數字信息的隱藏與選擇性顯示。在外界刺激下，不同局部的響應性差異導致內部應力的形成，圖案化水凝膠發生三維變形。
利用圖案化水凝膠的多響應性及可控變形的特點，采用磁場調節凝膠與基板之間的摩擦力，進一步通過動態光掃射驅動水凝膠在基板上進行不同模式的定向運動。該研究表明，通過磁場誘導取向與光模板引導局部聚合相結合的方法，可在水凝膠構筑復雜、可控的取向結構，在外界刺激下實現可控變形及定向運動。該方法適用于其他磁性粒子，有助于新型軟驅動器、軟機器人的發展。
論文信息及鏈接：
Chen Fei Dai, Olena Khoruzhenko, Chengqian Zhang, Qing Li Zhu, Dejin Jiao, Miao Du, Josef Breu*, Peng Zhao*, Qiang Zheng*, Zi Liang Wu*, Magneto-Orientation of Magnetic Double Stacks for Patterned Anisotropic Hydrogels with Multiple Responses and Modulable Motions, Angew. Chem. Int. Ed.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202207272
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