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東北大學田野課題組 JMCA：超快熱響應(yīng)致動和超高導(dǎo)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(yīng)型導(dǎo)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(shè)備方面都展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。然而，制備兼具良好的響應(yīng)致動速度和導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)外部刺激進行致動，被動層/導(dǎo)電層（無刺激響應(yīng)功能）進行導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)致動性和超高導(dǎo)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(dǎo)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(luò)結(jié)構(gòu)，使Ag-PNIPAM水凝膠具有超快熱響應(yīng)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(dǎo)致納米銀片聚集形成導(dǎo)電路徑，使Ag-PNIPAM水凝膠形成超高導(dǎo)電性（>1231 S/m）。同時，Ag-PNIPAM水凝膠還顯示出在500%的寬應(yīng)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(shè)備來精確檢測人體運動和生理信號。最后，通過結(jié)合驅(qū)動性和導(dǎo)電性實現(xiàn)了智能電路開關(guān)。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(dǎo)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(guān)

  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(shù)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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