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  近年來，彈性體—水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于離子導(dǎo)電體、柔性電子和軟體機器人等領(lǐng)域。彈性體通常由疏水的高分子組成，水凝膠由親水的高分子和大量的水組成；兩種材料之間迥異的化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致界面粘接強度很低，使彈性體—水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備成為一個挑戰(zhàn)。近年來國內(nèi)外研究團(tuán)隊針對彈性體與水凝膠之間的粘接問題展開了廣泛而深入的研究，將兩者之間的粘接強度提高到1000 J/m²量級。要實現(xiàn)兩種材料之間的高強度粘接，采用模具是常用的做法。一方面，模具可隔絕氧氣；另一方面，模具可保持前驅(qū)液的形狀并控制尺寸。但是模具的使用很大程度上限制了彈性體—水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的復(fù)雜構(gòu)型設(shè)計。因此，提出一種新的設(shè)計策略實現(xiàn)彈性體—水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的復(fù)雜構(gòu)型設(shè)計、強粘接、可拉伸性和透明性具有廣泛的應(yīng)用價值。

  鑒于上述情況，研究人員受到甲殼蟲背部親水島的啟發(fā)，提出了一種制備具有可調(diào)控曲面輪廓的彈性體-水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計策略。通過在一個疏水的彈性體表面上制備出親水島，并在親水島上滴加液滴，研究親水島直徑大小和液體體積對液滴輪廓的影響。以水為例，通過構(gòu)建液滴輪廓的參數(shù)空間，將設(shè)計準(zhǔn)則應(yīng)用于水凝膠的前驅(qū)液，高保真度地將其固化成水凝膠，并基于硅烷偶聯(lián)劑在水凝膠與彈性體之間實現(xiàn)高強度粘接。研究人員展示了兩個具有可調(diào)控曲面輪廓的彈性體-水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的潛在應(yīng)用：一種可以在不同壓力下選擇性地響應(yīng)發(fā)光的離子電子-電致發(fā)光器件；另一種焦距可調(diào)的可拉伸柔性光學(xué)透鏡。該仿生設(shè)計策略為制備新型彈性體-水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)提供了新的解決思路。

圖1 彈性體—水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計原理 A) 甲殼蟲背部親水島示意圖，B) 具有可調(diào)控曲面輪廓的彈性體-水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)制備過程

  研究人員首先展示了彈性體—水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計原理，并闡述了復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法和流程。將硅烷偶聯(lián)劑添加到水凝膠前驅(qū)體溶液，原位聚合，實現(xiàn)了兩種材料之間的高強度粘接。

圖2 液滴在疏水表面的可調(diào)控行為

  針對液滴在PDMS疏水表面的浸潤行為，研究人員測量了親水島形貌（包括高度、曲率、接觸角）隨液滴體積的變化。確實，將液滴滴在某一特定直徑的親水島上，液滴可鋪展至整個親水島區(qū)域；增大液滴的體積，親水島區(qū)域的直徑不變，而高度和接觸角逐漸增大。當(dāng)液滴體積繼續(xù)增大并超過某一臨界值，水滴會超過親水/疏水邊界從而轉(zhuǎn)變成疏水狀態(tài)，如圖2所示。這種液滴形貌的可調(diào)控性可普遍應(yīng)用于液體的可操控設(shè)計。

圖3 水凝膠的高保真度合成及高強度粘接測試

  隨后，研究人員對水凝膠親水島輪廓的高保真度合成及彈性體—水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)高強度粘接進(jìn)行了表征，如圖3所示�？梢钥闯�，在多種液滴體積的情況下，水凝膠前驅(qū)體溶液與聚合后相比，親水島區(qū)域的形貌（高度、接觸角）幾乎一致，展現(xiàn)出極高的保真度。采用90度剝離的方法測試了水凝膠與彈性體之間的粘接強度約為90 J/m²，與水凝膠本身的斷裂能相當(dāng)。此外，將彈性體拉伸至1.83倍，兩種材料之間未發(fā)生脫粘，展現(xiàn)出高強度粘接行為。

圖4 離子發(fā)光器件及可調(diào)透鏡

  最后，研究人員展示了彈性體-水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的潛在應(yīng)用，包括在壓力作用下選擇性發(fā)光的離子電子-電致發(fā)光器件和一種焦距可調(diào)的可拉伸柔性光學(xué)透鏡，如圖4所示。彈性體—水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計策略為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造提供了一種新的方法。

  更多詳細(xì)信息，以及關(guān)于親水島形貌理論分析、離子電子-電致發(fā)光器件的電路分析等請參考原文及支撐材料。

  這一研究工作最近發(fā)表在ACS Applied Electronic Materials上。論文第一作者是南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系博士研究生張平，通訊作者是南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系楊燦輝助理教授。

  論文信息與鏈接

  Ping Zhang, Qi Li, Yihang Xiao, and Canhui Yang*, Biomimetic Hydrophilic Islands for Integrating Elastomers and Hydrogels of Regulable Curved Profiles configurations, ACS Applied Electronic Materials, 2020.

  DOI: 10.1021/acsaelm.0c00830

  https://dx.doi.org/10.1021/acsaelm.0c00830

  楊燦輝助理教授與洪偉教授合作，目前已基本搭建起南方科技大學(xué)軟體力學(xué)實驗室；實驗室長期招收推免直博生，碩、博士研究生和博士后等；研究方向包括軟材料力學(xué)，水凝膠器件，新型軟材料設(shè)計與加工，3D打印等。歡迎對相關(guān)研究方向感興趣的同學(xué)/博士/學(xué)者郵件聯(lián)系：yangch@sustech.edu.cn。請在郵件中做必要的自我介紹。