寧波材料所在多場(chǎng)協(xié)同遠(yuǎn)程控制的水凝膠“變形金剛”領(lǐng)域取得進(jìn)展
近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料課題組陳濤研究員與張佳瑋研究員一直致力于智能變形水凝膠的研究（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8670; Chem. Sci. 2016, 7, 6715; Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 1284; Chem. Commun. 2018, 54, 1229; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704568; Adv. Sci. 2019, 6, 1801584; Research 2019, 2384347; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 16243; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 19237; Small 2020, 2005461等）。近期，該團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了一種磁、光、熱多場(chǎng)協(xié)同作用的形狀記憶水凝膠，在Wiley旗下智能材料與系統(tǒng)新刊Advanced Intelligent Systems上受邀發(fā)表題為 “Multi-field synergy manipulating soft polymeric hydrogel Transformers” 的研究論文，并得到了wiley旗下Advanced Science News的專題報(bào)道（https://www.advancedsciencenews.com/a-magnetically-controlled-hydrogel-for-octopus-like-robots/）。
研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型光、熱、磁控制的水凝膠“變形金剛”，具有非接觸式形狀操縱和定向?qū)Ш教匦裕▓D1）。制備了具有化學(xué)交聯(lián)聚（N-（2-羥乙基）丙烯酰胺）（PHEAA）和可逆交聯(lián)明膠（Gelatin）網(wǎng)絡(luò)的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠。明膠是動(dòng)物膠原的水解產(chǎn)物，鏈段之間存在大量氫鍵，隨著溫度的變化，氫鍵不斷斷裂重組，使得明膠在單鏈和三重螺旋結(jié)構(gòu)之間迅速轉(zhuǎn)變。利用明膠的可逆轉(zhuǎn)變，可以具備熱響應(yīng)形狀記憶性能和自愈合能力。
在水凝膠中引入Fe3O4納米顆粒，使水凝膠具有光致加熱和磁操控能力。當(dāng)近紅外光（NIR）照射水凝膠時(shí)，Fe3O4納米粒子不斷地將光轉(zhuǎn)化為熱，使水凝膠被加熱。隨著溫度的升高，明膠的三重螺旋結(jié)構(gòu)會(huì)解纏繞成單鏈，與此同時(shí)，水凝膠在磁場(chǎng)作用下變形為臨時(shí)形狀。隨著溫度的降低，三螺旋結(jié)構(gòu)再次纏繞以固定臨時(shí)形狀。即使撤掉磁場(chǎng)，臨時(shí)形狀仍可以繼續(xù)保持。當(dāng)再次用NIR照射水凝膠時(shí)，明膠網(wǎng)絡(luò)再次由三螺旋向單鏈轉(zhuǎn)變，從而促使形狀回復(fù)。結(jié)合磁場(chǎng)產(chǎn)生的形狀操控，以及光誘導(dǎo)的形狀固定和回復(fù)，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式形狀操縱行為。
利用遠(yuǎn)程非接觸式的形狀操控，研究人員制備了一系列水凝膠軟體機(jī)器人。由于不同F(xiàn)e3O4納米粒子含量的水凝膠在同一能量密度的NIR照射下，形狀回復(fù)時(shí)間不同，研究人員設(shè)計(jì)了一朵可以順序分步綻放的花朵以模擬自然界的植物對(duì)光的敏感性。受到人健身運(yùn)動(dòng)的啟發(fā)，研究人員制作了形態(tài)惟妙的“水凝膠運(yùn)動(dòng)員”，它可以在磁場(chǎng)和NIR的協(xié)同作用下進(jìn)行仰臥起坐運(yùn)動(dòng)。此外，由于水凝膠可以被磁鐵引導(dǎo)而運(yùn)動(dòng)，研究人員巧妙地設(shè)計(jì)了一個(gè)三爪軟機(jī)器人，它可以在特制的迷宮中運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向，更有趣的是，當(dāng)軟機(jī)器人遇到小于自身寬度的狹縫時(shí)，利用磁、光的多場(chǎng)協(xié)同作用，可以暫時(shí)性地改變自身形狀并在通過(guò)狹縫后迅速恢復(fù)原始形狀（圖1g）。該工作成功實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操控水凝膠形狀變化，為智能變形凝膠的發(fā)展提供了新思路。
該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2018YFB1105100），國(guó)家自然科學(xué)基金（51873223,52073295），中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2017337），中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（QYZDB-SSW-SLH036）等項(xiàng)目的支持。
（高分子與復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室 張大川）