第二届Wiley Online Library优秀文章推荐大赛南区一等奖作品回顾

武汉大学的解书艺向我们推荐了发表在Angewandte Chemie上的文章Polymer-Based Muscle Expansion and Contraction。以下是解书艺的参赛作品原文:

一、背景介绍

作为一名化学专业的本科生,在掌握基础课程的同时也应该多涉猎一些高水平的专业文献,并通过和教材上的理论知识结合,思考前沿科研中的创新思想的来源。Wiley 旗下有着众多优秀的化学专业或相关交叉学科的杂志,例如Advanced Materials,Angewandte Chemie 等等。由于笔者对于高分子材料科学有着较强的兴趣,加之专业课上听老师讲授过关于智能响应性水凝胶的相关应用,因此查找了关于聚丙烯酰胺类(pNIPAm)水凝胶的相关文献。pNIPAm 水凝胶是一种已经被广泛研究的温敏性水凝胶,其相转变温度(LCST)在32℃左右,到目前为止已经在药物释放,传感器制备等领域有着广泛应用。虽然如此,近期在Angewandte Chemie 上的一篇文章吸引了我的视线,原来简单的高分子水凝胶体系可以应用于许多看起来与之关系不大的体系。

二、文章概要

加拿大Alberta 大学的Micheal Serpe 教授近日发表题为Polymer-Based Muscle Expansion and Contraction 的文章1,并在该期以杂志封面形式出现。文章讲述了使用基于高分子水凝胶的复合膜构造可以收缩的人造肌肉的过程并探索了相关机理,阐明了该体系作为人造肌肉的诱人前景。

首先,作者阐述了其课题组已经取得的研究成果,利用丙烯酸(AAc)接枝的pNIPAm 水凝胶复合于Au/Cr 基板,获得表面均匀涂覆一层水凝胶的金属-水凝胶复合体系。接着,将该复合材料浸泡于聚二烯丙基二甲基氯化铵(pDADMAC) 溶液,利用静电相互作用吸附pDADMAC。到目前为止,所有的实验步骤都是本科高分子专业学生能够独立完成的,而作者进一步做的是我始料未及的。由于水凝胶在干燥环境会失去水分,而在此过程中pDADMAC 也会相应收缩,进而引起整个复合材料的卷曲。而若不浸泡于pDADMAC 溶液也就不会出现收缩现象。另外,收缩后的复合材料有一定的强度,只要环境湿度不过大,则弯曲后的材料能作为钩爪承载重物。

利用以上的实验现象,作者课题组将其应用于载重体系。对于一块人的肌肉来说,大约可以承载68kg 的重物,而同样质量的作者研发的材料可以承载1280kg 的重物,相比人的肌肉强大许多。当然,作为人造肌肉的材料还需要有可恢复性,因此文章也对其可恢复性进行了探讨,发现环境湿度可以作为调整该“肌肉”收缩强度的因素,当湿度高于80%时,水凝胶吸水,材料恢复平整,环境干燥时,收缩现象重新引发,材料卷曲。这一实验也从侧面验证了坐着提出的机理的合理性。

 图 1 浸泡于pDADMAC溶液(i–iv)与未浸泡于pDADMAC溶液(1-4)时材料卷曲的情况比较

图2 湿度驱使下“肌肉”收缩,舒张过程示意图

 除了作为人造肌肉外,作者还尝试使用该材料用于检测湿度,实验证明通过检测该材料的负重能力的变化可以判断其所处环境的湿度变化,当环境湿度变高的时候,材料的载重量下降。

图3 不同湿度下材料负重能力的变化

三、推荐理由

纵观整篇文章,没有出现复杂的理论公式以及繁杂的图表,相反作者使用了数张直观的实验现场照片描述了该功能高分子材料的特殊的功能。对于仍处于学习阶段的本科生来说,所有的实验材料,实验现象和提出的相关机理都是很容易被理解的,而文章的亮点在于作者合理的将成熟的pNIPAm 类高分子体系应用于收缩-舒展型功能材料的制备,让我们了解到水凝胶在科研、生活中的广泛用途。另外,作者完成了提出猜想,实验佐证的科学思路,通过直观的实验数据验证了自己猜想的合理性,这也是值得学习的。当然,从作者提供的实验照片中我们也可以发现些许问题,例如:该复合材料的响应时间较长(均长于30min),因此如何提高其响应速度(尤其在应用于湿度检测领域)是亟需解决的问题。

 另外,通过Wiley 的相关搜索功能,笔者还阅读了作者发表在Advanced Materials上的题为Reflection Order Selectivity of Color-Tunable Poly(N-isopropylacrylamide) Microgel Based Etalons 的文章2,该文章同样使用pNIPAm类水凝胶构造金属-水凝胶复合材料,而其通过与Fabry–Pérot(法布里-珀罗)干涉现象结合制备了温度或离子响应的可变色型复合材料,可应用于温度或离子等相关检测领域。该文章同样适合本科生阅读。

总的来说,我想向所有化学化工专业的本科生推荐这篇文献,其平和易懂性可以激发学生探索科学问题的兴趣,而其写作方法也能提供给学生一个清晰的解决现实问题的思路。

(1) Islam, M.R; Li, X.; Smyth, K; Serpe, M.J. Angewandte Chemie 2013, 52, 10330.

(2) Sorrell, C. D.; Serpe, M. J. Advanced materials 2011, 23, 4088.