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中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）夏帆、陳林峰團(tuán)隊(duì)《Adv. Mater.》：腸胃蠕動(dòng)啟發(fā)的雙層管狀水凝膠驅(qū)動(dòng)器用于黏性液體的定向輸送
2023-04-28  來源：高分子科技

  液體可控傳輸是涉及微流體，水收集，打印，分析檢測等領(lǐng)域的一個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)問題。長期以來，研究者們通過在表面設(shè)計(jì)浸潤性梯度或/和結(jié)構(gòu)梯度，實(shí)現(xiàn)對不同液體的可控定向傳輸。該方法適用于水和常見有機(jī)試劑等低黏度的液體，對于日常生活和化學(xué)工業(yè)中常見的高黏性液體（>100 mPa s），如重油、聚合物溶液、乳化液、蜂蜜和許多離子液體等，其可控定向傳輸一直是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，主要原因是黏性液體與基底之間存在高粘附作用力和粘滯阻力。通過界面潤滑作用可有效降低阻力，但是其驅(qū)動(dòng)力及方向不能有效控制。


  哺乳動(dòng)物（如人類）的腸胃具有蠕動(dòng)功能，在傳輸黏性食物流體方面具有特殊的優(yōu)勢。腸胃蠕動(dòng)通過驅(qū)動(dòng)力控制（外層平滑肌定向收縮）和阻力控制（內(nèi)表面分泌潤滑黏液）的協(xié)同作用，可以持續(xù)定向地有效傳輸黏性食物流體（即食糜液，其粘度可達(dá)到2000mPas）。


  近期，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）材料與化學(xué)學(xué)院夏帆、陳林峰團(tuán)隊(duì)受腸胃蠕動(dòng)啟發(fā)設(shè)計(jì)并發(fā)展了一種雙層管狀水凝膠驅(qū)動(dòng)器（DLTHAs）用以對黏性液體的定向輸送。該驅(qū)動(dòng)器具有雙層結(jié)構(gòu)，外層為聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）/海藻酸鹽凝膠（AG）互穿網(wǎng)絡(luò)，并摻雜碳納米管（碳納米管）（表示為PNIPAM/AG/CNTs)，在外部NIR作用下，碳納米管會(huì)吸收光能并將其轉(zhuǎn)化為熱量，導(dǎo)致外部PNIPAM/AG/CNTs水凝膠的收縮。內(nèi)層為超親水性海藻酸鹽凝膠，外層收縮產(chǎn)生的水會(huì)在內(nèi)層表面形成潤滑層，促進(jìn)了黏性液滴的傳輸。這種新型水凝膠驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)對寬黏度范圍（約1000 mPa?s 至 >80000 mPa?s）的黏性液體的有效定向傳輸（圖1），傳輸過程管內(nèi)無明顯殘留。作者還在文章中展示了黏性液體的潛在應(yīng)用，例如傳輸黏度劇烈增加的聚合反應(yīng)液，可循環(huán)使用的黏性墨水打印噴頭。 


圖1：DLTHA的設(shè)計(jì)示意圖 


圖2：DLTHA的形貌表征

  該研究為高黏性液體的定向輸送提供了一種通用的新策略，不僅擴(kuò)大了液體操縱/輸送的研究范圍，為新型液體傳輸驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供新思路，而且在基于高黏性液體的微流體，軟體機(jī)器人，打印噴頭，人工血管等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。該工作以題為“Gastrointestinal peristalsis-inspired hydrogel actuators for NIR-controlled transport of viscous liquids”的文章發(fā)表于Advanced Materials上。文章第一作者是中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）碩士研究生張立云。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。 


圖3：DLTHA的粘性液體輸送性能


圖4：DLTHA的潛在應(yīng)用展示


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202212149

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