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武漢大學(xué)常春雨/江南大學(xué)陳敬華課題組 CEJ: 利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)制備非對(duì)稱水凝膠纖維用于強(qiáng)韌的可編程形變驅(qū)動(dòng)器
2023-11-11  來源：高分子科技

  水凝膠驅(qū)動(dòng)器可以響應(yīng)外部刺激發(fā)生形變，因此在軟機(jī)器人、智能織物和人工肌肉等領(lǐng)域具有巨大潛力。良好的機(jī)械性能、快速響應(yīng)速度和復(fù)雜的形狀變化是水凝膠驅(qū)動(dòng)器在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵。


  近期，武漢大學(xué)常春雨教授課題組和江南大學(xué)陳敬華教授課題組采用磁場(chǎng)誘導(dǎo)策略制備了一種可編程的雙物理交聯(lián)水凝膠纖維。在外部（濕度或溶劑）刺激下，水凝膠纖維表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度（28.9 MPa）和快速響應(yīng)速度（3.2°·min-1·mm-1）。并且通過設(shè)計(jì)磁鐵的擺放實(shí)現(xiàn)了水凝膠驅(qū)動(dòng)器的可編程形變，可以進(jìn)一步應(yīng)用于智能抓手和智能窗簾。相關(guān)工作以“Magnetic-field induced asymmetric hydrogel fibers for tough actuators with programmable deformation”為題發(fā)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AM、AA和Ad-AM單體的原位聚合得到了非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的水凝膠。最后，將水凝膠預(yù)拉伸后浸泡在FeCl3溶液中得到了最終的纖維驅(qū)動(dòng)器，其中Fe3+/-COO-配位作用固定了水凝膠纖維的各向異性結(jié)構(gòu)。由于Fe3O4@CNCs的非對(duì)稱分布，水凝膠纖維可以在溶劑的刺激下發(fā)生彎曲形變。 


圖1. 水凝膠纖維驅(qū)動(dòng)器的制備和驅(qū)動(dòng)示意圖。


  Ad-AM和β-CD-TCNCs間的主客體相互作用使水凝膠具有高度可拉伸性。從AFM和SEM可以看出，隨著預(yù)拉伸應(yīng)變的增大，水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從各向同性轉(zhuǎn)變成各向異性，并且纖維直徑逐漸減小。此外，通過拉曼技術(shù)表征了水凝膠的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。在磁場(chǎng)誘導(dǎo)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(xiàn)出上紅下綠的不均勻結(jié)構(gòu)，表明了Fe3O4@CNCs的非對(duì)稱分布（圖2）。 


圖2. 水凝膠纖維的結(jié)構(gòu)表征。


  通過控制磁鐵的擺放可以設(shè)計(jì)出具有更多復(fù)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(yīng)用價(jià)值，進(jìn)一步將非對(duì)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(yùn)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(dòng)關(guān)閉和打開（圖3）。 


圖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(yīng)用。


  本論文的第一作者為武漢大學(xué)與江南大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生翟艷鐸，共同第一作者為武漢大學(xué)碩士研究生龔宸，共同通訊作者為武漢大學(xué)常春雨教授和江南大學(xué)陳敬華教授。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。


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

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