Science Advances:周期性图案化水凝胶的协同变形

【引言】

大自然向人类展示过许多智能变形的范例，它启发人们去设计具有可控弯曲，折叠和扭曲的仿生系统，并且对软电子和执行器的发展也具有重要的意义。复杂的变形通常是在选择域中通过少量的相互作用将典型结构融入其中来实现的。研究人员揭示了周期性图案化水凝胶片的协同变形，其中相邻的区域相互作用并协同变形。同时，他们也指出不同的响应聚合物也可以在一个复合凝胶中图案化。在外界刺激下，能够实现不同协同变形之间的可逆变换。这种协同变形的原理可以适用于其他材料，运用此原理，能够将图案小型化至微米级或纳米级，为各种领域的应用提供具有先进功能的变形材料。

【成果简介】

近日，来自浙江大学的吴子良副教授（通讯作者）等人在近期的Science Advances期刊上发表了一篇题为“Cooperative deformations of periodically patterned hydrogels”的文章。文章详细介绍了周期性图案化水凝胶片的协同变形现象，这种二维水凝胶片可在总的弹性能量的作用下自发变形为三维交替的凹凸结构。复合凝胶片由分散在高溶胀凝胶中的非溶胀凝胶通过光刻法制备。由于膨胀率的不同，错配应变才导致了水凝胶的高度协同的三维变形。研究人员在揭示了上述原理之后发现，这种原理同样适用于其他响应材料或者能够将图案小型化至微米级或纳米级，从而将变形结构应用于可控润湿性和软机器人等领域。

【图文导读】

图1 凝胶的光刻图案和溶胀诱导的协同变形

A）将反应池中的前体溶液通过掩模暴露于紫外（UV）光照射下，以在曝光区域中产生图案化凝胶。在除去残余溶液（B）之后，将另一种前体溶液注入预成型凝胶（C）之间的间隙中；

D）无掩模的光聚合反应制备集成的图案化凝胶；

E）周期性图案化凝胶在水中溶胀后变形为交替的凹凸结构。蓝色和红色区域分别对应于不溶胀和高溶胀性凝胶；

F）相应溶胀凝胶的图像。比例尺，1厘米。

图2 图案尺寸对凝胶变形的影响

A）显示所制备的图案化凝胶的尺寸，不溶涨圆盘状凝胶排列成六边形格子。黑色虚线表示变形的基本单位（三角形或菱形）。橙色虚线表示同心凝胶盘的形状，其将变形为不同的构型（右图）；

B,C）在水中膨胀的复合凝胶的典型构型；

D,E）具有不同尺寸的图案化凝胶的变形相图。

图3 通过控制膨胀过程切换协同模式

A）三角形和菱形协同变形与平坦形状之间的可逆形状变化随着NaCl浓度的变化而变化；

B）PAAm和P（AAm-co-AMPS）凝胶的长度λ的膨胀比作为盐浓度的函数。

图4 通过选择性预溶胀控制协同变形

A,B）掩模（A）和一个复合凝胶（B）中相应组合的三角形和菱形模式做协同变形；

C,D）掩模（C）和程序协同变形所需的模式和方向（D）。

图5 通过使用不同的掩模控制协同变形

方形PAAm凝胶（A）的周期性正方形排列，具有相同取向（B）或正交取向（C）的椭圆形PAAm凝胶的正方形排列，圆盘PAAm凝胶（D）的方形和菱形排列以及圆盘状PAAm凝胶（E）的kagome排列。掩模和模型分别配置在变形图案化凝胶的图像之上和之下。掩模的白色和黑色区域分别对应于不溶涨PAAm凝胶和高溶胀P（AAm-co-AMPS）凝胶。

图6 用多种响应聚合物制备的复合凝胶的形状变换

具有方形排列的位于P（AAm-co-AMPS）凝胶中的PAAc和P（AAm-co-VI）凝胶圆盘拥有不同的取向（A）或者不同的周期（B），并且它们都能够在不同的pH值下发生显著的协同变形。

【小结】

协同效应在生物学和化学学中是普遍存在的，这种效应可以展示出惊人的现象和功能。研究人员揭示了具有周期性图案化水凝胶的协同变形，这将使得水凝胶形成交替的凹凸结构。高膨胀区域的扩张受到嵌套的非渗出区域的限制，导致分隔区域的向上或向下弯曲。在此基础上，研究人员所阐释的这种原理同样适用于其他响应材料或者能够将图案小型化至微米级或纳米级，从而将变形结构应用于可控润湿性和软机器人等领域。

文献链接：Cooperative deformations of periodically patterned hydrogels.（Science Advances，2017，DOI: 10.1126/sciadv.1700348）

通讯作者简介：吴子良副教授，博士生导师，青年千人。1999.9~2003.7 浙江大学化学工程与生物工程学系，工学学士；2003.9~2006.3华东理工大学化学工程系，工学硕士；2006.10~2010.3 日本北海道大学生物系，理学博士；2010.6~2011.8加拿大多伦多大学化学系，博士后；2011.10~2013.5 法国居里研究所居里物理化学实验室，博士后；2013.7~2013.9日本北海道大学先端生命科学研究院，博士后；2013.10~至今，浙江大学高分子科学与工程学系（2015年入选国家青年千人计划）。主要从事仿生与功能性高分子水凝胶、弹性体方面的研究，已在Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Macromolecules等期刊发表论文40余篇。

本文由材料人编辑部高分子组点点编译，材料牛审核整理。

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