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  合肥工業(yè)大學(xué)4日消息，一種具有自愈合能力的新型各向異性水凝膠驅(qū)動(dòng)器近日在該校研發(fā)成功，為制備人工肌肉、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域所需的新型軟性材料開辟了理論路徑。相關(guān)成果以“Anisotropic and self-healing hydrogels with multi-responsive actuating capability”為題發(fā)表在英國(guó)《自然。通訊》上。

  生物體的大多數(shù)組織在分子到宏觀尺度各層面上均具有各向異性形態(tài)和結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)特定方向上的行為和功能。研發(fā)具有各向異性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的軟性材料，是未來新型柔性智能驅(qū)動(dòng)器件的關(guān)鍵和技術(shù)瓶頸。而目前大多數(shù)水凝膠通過均勻、非定向的聚合物鏈生長(zhǎng)合成，其各向同性結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)定向的形變或功能。

  合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院從懷萍教授課題組與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授研究團(tuán)隊(duì)合作，采用將金屬納米顆粒的可控二維組裝結(jié)構(gòu)作為高分子自由基聚合過程中的交聯(lián)劑并誘導(dǎo)聚合物鏈生長(zhǎng)的設(shè)計(jì)策略，成功研制出具有高度有序?qū)訝罹W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物/納米復(fù)合水凝膠。利用凝膠網(wǎng)絡(luò)在不良溶劑中的高分子鏈?zhǔn)湛s行為，這一具有各向異性結(jié)構(gòu)特征的新型材料可在水平和垂直等特定方向上實(shí)現(xiàn)收縮與拉伸形變功能。

圖1. 高度有序?qū)訝罹W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的各向異性水凝膠的制備過程

圖2. 高度有序?qū)訝罹W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的各向異性水凝膠結(jié)構(gòu)表征圖

圖3.凝膠材料的各向異性機(jī)械性能。

圖4.凝膠在抗缺口敏感性（a）、光學(xué)（b）以及溶脹過程（c）上的各向異性性能。

  據(jù)論文第一作者秦海利博士介紹，這一方法適用于金、銀、銅、鉑等多種金屬材料�；谠摬牧暇邆涞那芯�彈性模量、抗缺口敏感、光學(xué)以及溶脹等多種各向異性行為，該團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的修復(fù)誘導(dǎo)集成的器件組裝方法，實(shí)現(xiàn)了如機(jī)械臂抬起和機(jī)械手抓取等復(fù)雜驅(qū)動(dòng)行為。同時(shí)，利用在金屬納米顆粒與高分子鏈間巧妙引入動(dòng)態(tài)金屬-巰基配位作用，該材料具有快速而高效的響應(yīng)修復(fù)能力，在激光或酸性溶液的刺激下，其破損部位可迅速實(shí)現(xiàn)自愈合，從而具有使用壽命長(zhǎng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。

圖5.各向異性水凝膠在近紅外光以及酸性介質(zhì)中的自修復(fù)行為。

圖6. 不良溶劑誘導(dǎo)下的各向異性驅(qū)動(dòng)器行為。

  上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)際合作項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金、安徽省自然科學(xué)基金、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金等項(xiàng)目的資助。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10243-8