基于光聚合水凝胶薄膜的灵敏湿度驱动致动器

湿度响应性行为广泛存在于自然界中,如植物和真菌的种子或孢子的扩散过程、松树球果的开合、小麦麦芒的扭转和弯曲等行为都是湿度响应性行为。在环境湿度的变化过程中,生物体的特定部位可逆的吸收或释放水分,进而发生机械形变实现所需功能,如实现生物体复杂的运动。受大自然的启发,湿度响应性材料吸引了人们的关注,并且由于水蒸气具有环境友好及易获得操纵等优点,湿度响应性材料在传感器、致动器及软机器人的构建等领域具有广阔的应用前景。湿度响应性器件多基于可进行吸水溶胀实现致动功能的聚合物薄膜,利用水凝胶材料的强吸水特性,将其制备成具有大形变能力的薄膜器件有望提高湿度响应性器件的性能,拓展其应用。

吉林大学孙洪波-夏虹教授课题组以聚乙二醇二丙烯酸酯作为单体材料,通过紫外光聚合的方法制备出一种具有湿度响应性的水凝胶薄膜致动器,其在环境湿度梯度下能够自发形变,如将其放置于湿润滤纸表面,水凝胶薄膜会发生连续翻转;将其放置于掌心,薄膜会对掌心的生理湿度响应发生形变。作者研究了PEG-DA水凝胶薄膜湿度响应灵敏性的影响因素,发现在紫外光聚合过程中,曝光时间的增加会降低PEG-DA薄膜的湿度响应灵敏性;而使用的单体材料数均分子量越大,薄膜湿度响应灵敏性越高。研究者在薄膜中引入了一定量的罗丹明B染料,使得薄膜在不同相对湿度环境下能够呈现出不同程度的粉红色,并且在365nm光照下发出不同强度的荧光,这一性质使其可以作为一种简易的相对湿度监测“试纸”。利用这种水凝胶薄膜,一种湿度驱动的爬行机器人被成功制备,爬行速度约为3mm/min。最后,研究者展示了除湿度驱动外,PEG-DA水凝胶薄膜还对多种挥发性极性有机溶液蒸气具有响应性,能够发生快速形变,展示出这种薄膜的多样化潜在应用。相关论文在线发表在Advanced Materials Interfaces (DOI: 10.1002/admi.201601002)上。

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