Advanced Materials:可重复编程的水凝胶梯度结构及三维变形

自变形水凝胶在软机器人、柔性电子等领域具有重大的应用价值,其关键在于如何控制凝胶内部的组成与应力分布。目前,自变形水凝胶的梯度结构通常通过化学反应构筑,一旦完成就难以对其进行结构调整。要通过三维变形获得不同的构型,通常需要重新构筑具有不同梯度结构的水凝胶,不利于凝胶材料的重复利用。将动态化学键引入水凝胶,有望实现网络结构的反复调控以及三维变形的重复设计。

浙江大学郑强吴子良团队与浙江大学黄飞鹤教授、南方科技大学洪伟教授合作,通过将疏水性香豆素单体与亲水性丙烯酸单体在十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)胶束溶液中进行共聚,制备了具有可逆化学交联结构的水凝胶,通过局部解交联反应构筑网络梯度结构,从而在同一水凝胶获得不同的三维构型。其中,香豆素单元在365 nm和254 nm紫外光照射下发生可逆的光二聚和解聚反应。水凝胶中带相反电荷的CTAC胶束与聚丙烯酸形成稳定的聚电解质/表面活性剂复合物(PESC),提高香豆素单元的局部浓度,提升了光化学反应的效率。同时,PESC作为凝胶网络的物理交联点,大幅提升了水凝胶的力学性能。因此,通过反复的光二聚、光解聚反应实现梯度结构的擦除与构筑,实现了不同三维变形与最终构型的重复设计。这一策略将适用于其它动态化学键,通过动态调控网络结构将拓展凝胶材料在智能柔性器件等领域的应用。

论文信息:

Reconstructable Gradient Structures and Reprogrammable 3D Deformations of Hydrogels with Coumarin Units as the Photolabile Crosslinks

Chao Nan Zhu, Chen Yu Li, Hu Wang, Wei Hong, Feihe Huang, Qiang Zheng, Zi Liang Wu*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202008057