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東北大學田野課題組 JMCA：超快熱響應致動和超高導電性的多功能梯度水凝膠
2022-10-17  來源：高分子科技

  刺激響應型導電水凝膠是一類新興的智能材料，在軟體機器人、柔性傳感器、智能電子和仿生設備方面都展現(xiàn)出了巨大的應用潛力。然而，制備兼具良好的響應致動速度和導電性能的一體化水凝膠仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。潛在的主要原因有兩個方面：一方面，高電導率的水凝膠通常具有相對較高的楊氏模量，而較高的楊氏模量會限制水凝膠在外界刺激下的致動速度。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，即通過主動層/致動層響應外部刺激進行致動，被動層/導電層（無刺激響應功能）進行導電，但是這類水凝膠可能存在容易界面分層的風險。因此，迫切需要開發(fā)出一種兼具杰出致動性和導電性的一體化水凝膠。



  近期，東北大學醫(yī)學與生物信息工程學院田野副教授團隊受章魚觸角啟發(fā)提出了一種基于親水性策略，合成了具有超快熱響應致動性和超高導電性的梯度水凝膠（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)絡結構，使Ag-PNIPAM水凝膠具有超快熱響應致動性（52.3°/s）。此外，通過在熱刺激下Ag-PNIPAM水凝膠體積快速收縮，導致納米銀片聚集形成導電路徑，使Ag-PNIPAM水凝膠形成超高導電性（>1231 S/m）。同時，Ag-PNIPAM水凝膠還顯示出在500%的寬應變下的高靈敏度（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器（抓取器和千斤頂），其中抓取器可以在8 s內(nèi)抓取目標物體，并1s內(nèi)快速釋放。其次，將水凝膠作為可穿戴電子設備來精確檢測人體運動和生理信號。最后，通過結合驅(qū)動性和導電性實現(xiàn)了智能電路開關。這種多功能梯度水凝膠為智能生物材料、軟機器人和柔性傳感器提供了前景廣闊的機會。 


圖1. Ag-PNIPAM水凝膠的制備 


圖2. Ag-PNIPAM水凝膠的熱致動性

 圖3. Ag-PNIPAM水凝膠的導電性


 圖4. Ag-PNIPAM水凝膠作為軟致動器


 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

  該研究工作以“Multifunctional gradient hydrogel with ultrafast thermo-responsive actuation and ultrahigh conductivity”為題發(fā)表在國際知名學術期刊《Journal of Materials Chemistry A》（IF：14.511），作為當期亮點工作，被選為期刊內(nèi)封面文章（DOI: 10.1039/d2ta05770k）。東北大學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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（責任編輯：xu）
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