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武漢大學常春雨/江南大學陳敬華課題組 CEJ: 利用磁場誘導制備非對稱水凝膠纖維用于強韌的可編程形變驅動器
2023-11-11  來源:高分子科技

  水凝膠驅動器可以響應外部刺激發生形變,因此在軟機器人、智能織物和人工肌肉等領域具有巨大潛力。良好的機械性能、快速響應速度和復雜的形狀變化是水凝膠驅動器在實際應用中的關鍵。


  近期,武漢大學常春雨教授課題組和江南大學陳敬華教授課題組采用磁場誘導策略制備了一種可編程的雙物理交聯水凝膠纖維。在外部(濕度或溶劑)刺激下,水凝膠纖維表現出優異的機械強度(28.9 MPa)和快速響應速度(3.2°·min-1·mm-1)。并且通過設計磁鐵的擺放實現了水凝膠驅動器的可編程形變,可以進一步應用于智能抓手和智能窗簾。相關工作以“Magnetic-field induced asymmetric hydrogel fibers for tough actuators with programmable deformation”為題發表在《Chemical Engineering Journal》上。


  如圖1所示,首先利用磁鐵的擺放固定了Fe3O4@CNCs的分布,然后通過AMAAAd-AM單體的原位聚合得到了非對稱結構的水凝膠。最后,將水凝膠預拉伸后浸泡在FeCl3溶液中得到了最終的纖維驅動器,其中Fe3+/-COO-配位作用固定了水凝膠纖維的各向異性結構。由于Fe3O4@CNCs的非對稱分布,水凝膠纖維可以在溶劑的刺激下發生彎曲形變 


1. 水凝膠纖維驅動器的制備和驅動示意圖。


  Ad-AMβ-CD-TCNCs間的主客體相互作用使水凝膠具有高度可拉伸性。從AFMSEM可以看出,隨著預拉伸應變的增大,水凝膠網絡結構從各向同性轉變成各向異性,并且纖維直徑逐漸減小。此外,通過拉曼技術表征了水凝膠的非對稱結構。在磁場誘導下,頂部和底部的一維曲線和二維圖像差別明顯,水凝膠三維拉曼圖像呈現出上紅下綠的不均勻結構,表明了Fe3O4@CNCs的非對稱分布(圖2)。 


2. 水凝膠纖維的結構表征。


  通過控制磁鐵的擺放可以設計出具有更多復雜形變的水凝膠纖維,包括“J”“U”“S” “W”的字母形狀和可伸縮的彈簧形狀。為了證明其潛在的應用價值,進一步將非對稱水凝膠制備成抓手在乙醇和水中抓取和釋放物體,模擬貨物運輸。另外,可以將不同種的水凝膠纖維組合成智能窗簾,在雨天(高濕度)和晴天(低濕度)自動關閉和打開(圖3)。 


3. 水凝膠纖維的可編程形變以及作為智能抓手和智能窗簾的應用。


  本論文的第一作者為武漢大學與江南大學聯合培養博士研究生翟艷鐸,共同第一作者為武漢大學碩士研究生龔宸,共同通訊作者為武漢大學常春雨教授和江南大學陳敬華教授。該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃和湖北省重點研發計劃的支持。


  全文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147088

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(責任編輯:xu)
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