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東北大學(xué)田野課題組 JMCA:超快熱響應(yīng)致動(dòng)和超高導(dǎo)電性的多功能梯度水凝膠
2022-10-17  來源:高分子科技

  刺激響應(yīng)型導(dǎo)電水凝膠是一類新興的智能材料,在軟體機(jī)器人、柔性傳感器、智能電子和仿生設(shè)備方面都展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。然而,制備兼具良好的響應(yīng)致動(dòng)速度和導(dǎo)電性能的一體化水凝膠仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。潛在的主要原因有兩個(gè)方面:一方面,高電導(dǎo)率的水凝膠通常具有相對(duì)較高的楊氏模量,而較高的楊氏模量會(huì)限制水凝膠在外界刺激下的致動(dòng)速度。另一方面,少數(shù)具有類似性能的水凝膠大多為雙層水凝膠,即通過主動(dòng)層/致動(dòng)層響應(yīng)外部刺激進(jìn)行致動(dòng),被動(dòng)層/導(dǎo)電層(無刺激響應(yīng)功能)進(jìn)行導(dǎo)電,但是這類水凝膠可能存在容易界面分層的風(fēng)險(xiǎn)。因此,迫切需要開發(fā)出一種兼具杰出致動(dòng)性和導(dǎo)電性的一體化水凝膠。



  近期,東北大學(xué)醫(yī)學(xué)與生物信息工程學(xué)院田野副教授團(tuán)隊(duì)受章魚觸角啟發(fā)提出了一種基于親水性策略,合成了具有超快熱響應(yīng)致動(dòng)性和超高導(dǎo)電性的梯度水凝膠(Ag-PNIPAM)來解決這一挑戰(zhàn)。通過將納米銀片(Ag)引入到N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)前體溶液中,疏水的納米銀片快速沉淀導(dǎo)致水凝膠內(nèi)部出現(xiàn)親水性差異。因此,親水性NIPAM單體更容易被吸引到頂部并聚合成更致密的PNIPAM相,最終形成梯度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使Ag-PNIPAM水凝膠具有超快熱響應(yīng)致動(dòng)性52.3°/s)。此外,通過在熱刺激下Ag-PNIPAM水凝膠體積快速收縮,導(dǎo)致納米銀片聚集形成導(dǎo)電路徑,使Ag-PNIPAM水凝膠形成超高導(dǎo)電性(>1231 S/m)。同時(shí),Ag-PNIPAM水凝膠還顯示出在500%的寬應(yīng)變下的高靈敏度(GF=14.66)和良好的抗菌性能。利用這些優(yōu)異的性能,研究者首先將水凝膠組裝成軟致動(dòng)器(抓取器和千斤頂),其中抓取器可以在8 s內(nèi)抓取目標(biāo)物體,并1s內(nèi)快速釋放。其次,將水凝膠作為可穿戴電子設(shè)備來精確檢測人體運(yùn)動(dòng)和生理信號(hào)。最后,通過結(jié)合驅(qū)動(dòng)性和導(dǎo)電性實(shí)現(xiàn)了智能電路開關(guān)。這種多功能梯度水凝膠為智能生物材料、軟機(jī)器人和柔性傳感器提供了前景廣闊的機(jī)會(huì)。 


1. Ag-PNIPAM水凝膠的制備 


圖2. Ag-PNIPAM水凝膠的熱致動(dòng)性

 圖3. Ag-PNIPAM水凝膠的導(dǎo)電性


 圖4. Ag-PNIPAM水凝膠作為軟致動(dòng)器


 圖5. Ag-PNIPAM水凝膠作為可穿戴電子


圖6. Ag-PNIPAM水凝膠作為智能電路開關(guān)

  該研究工作以“Multifunctional gradient hydrogel with ultrafast thermo-responsive actuation and ultrahigh conductivity”為題發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《Journal of Materials Chemistry A》(IF14.511),作為當(dāng)期亮點(diǎn)工作,被選為期刊內(nèi)封面文章DOI: 10.1039/d2ta05770k)。東北大學(xué)博士研究生劉赫為論文第一作者,田野副教授為論文通訊作者。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1039/d2ta05770k

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