浙大Adv. Mater.：制备具有精细有序结构和程序化变形的水凝胶

【背景介绍】

生物体利用具有不同尺度的各向异性结构的软组织的时空控制扩展和收缩来实现复杂的三维（3D）变形和运动，从而实现多功能和迷人的功能。基于这些自然现象，科研者致力于通过使液晶或纳米颗粒杂化来开发具有各向异性结构的软活性材料，以实现各种特定的功能。但是，薄膜的厚度和尺寸通常受到微米级的限制，且该策略无法扩展到其他系统。目前，主要依靠分子自组装、机械应变/剪切、外部电场/磁场和3D打印等策略来制备各向异性水凝胶。然而，要对外部场的分布进行编程以形成纳米颗粒的精细排列仍然面临重大挑战。此外，利用3D打印技术制备各向异性水凝胶的策略很耗时，并且仅限于很少的特定系统。因此，寻求一种简便且通用的方法来设计具有精细有序结构的水凝胶，以实现可编程的变形和运动显得尤为重要。

【成果简介】

近日，浙江大学郑强教授和吴子良副教授、德国拜罗伊特大学Josef Breu等人报道了一种简便的策略，即利用分布式电场制备具有精细有序结构纳米片（NSs）的水凝胶。在含NSs和金纳米颗粒的前驱体溶液中，多个电极以不同的排列方式分布。复杂的电场会引起NSs的复杂取向，这些取向在后续的光聚合作用中永久刻写下来。由于介质的介电常数和NSs之间的电斥力的快速转换，所得各向异性纳米复合聚（N-异丙基丙烯酰胺）水凝胶在加热或光辐照下显示出快速变形。复杂的NSs排列和离散区域的各向异性形状变化导致水凝胶的程序化变为各种构型。此外，通过时空光刺激可以局部触发具有复杂各向异性结构的复合水凝胶的形状变化。这种基于分布电场产生有序结构的策略也适用于凝胶、弹性体和装有其他各向异性颗粒或液晶的热固性材料，有助于设计具有特定功能的仿生材料。该工作成果以题为“Distributed Electric Field Induces Orientations of Nanosheets to Prepare Hydrogels with Elaborate Ordered Structures and Programmed Deformations”发表在著名期刊Adv. Mater.上。

【图文解读】

图一、利用一对极性相反的点电极制备具有精细有序结构的水凝胶
（a）各向异性水凝胶的合成过程示意图；

（b-c）由分布电场引起的NSs取向示意图和对应的POM图像。

图二、纳米复合水凝胶的各向异性结构、力学性能和响应性
（a）复合水凝胶中NSs的排列示意图；

（b-c）从n、//和⊥方向探测到水凝胶的2D SAXS模式和相应方位角图；

（d-e）从//和⊥方向拉伸凝胶样品的拉伸应变-应力曲线和三个平行测试的相应力学参数；

（f-g）在25 ^oC和37 ^oC水浴中循环孵育后，凝胶尺寸的照片、示意图和相对长度的变化；

（h）在光照射下，水凝胶各向异性形状变化的照片；

（i）在不同功率强度绿光照射下，水凝胶的温度变化；

（j-k）在循环光照射下，温度的可逆变化和水凝胶的尺寸。

图三、具有NSs径向排列的水凝胶及其在加热或光照下的程序化变形
（a-b）通过使用圆形或三角形电极和相反极性的点电极制备具有NSs径向取向的水凝胶，在加热或光照射下会变成鞍形；

（c-d）由两个或三个区域组成的水凝胶，其NSs呈放射状排列且在加热或光照下会变形。

图四、具有NSs周期性有序结构的水凝胶及其在加热和光照下的程序化变形
（a-b）由四个具有交替极性电极制备的水凝胶的基本单位，以及具有相反极性平行排列的电极对；

（c）具有五个基本结构单元的十字形水凝胶，其变形为开箱式结构；

（d-f）带有九个基本结构单元的图案化水凝胶：d）交替的凹凸-凹凸构型；e）凹凸不平的拱形构型；f）凹陷的圆顶构型。

图五、在温度空间光照射下，各向异性水凝胶的程序化变形和运动
（a）制备具有NSs的径向排列的水凝胶环，在加热或光照射下会变形；

（b）在以1.05 rad s^-1的速度对激光束进行圆形扫描时水凝胶环平移和旋转运动的照片；

（c）制备具有精细有序结构的矩形水凝胶条，在加热或光照射下变形为3D构型；

（d）在凝胶条中央区域受到脉冲光照射后，矩形水凝胶的类海鸥滑动运动。

【小结】

综上所述，作者开发了一种简便的策略，可以通过使用多个电极来编程在聚合和交联过程之前定向NSs的电场分布，从而制备具有精细有序结构的水凝胶。通过布置电极的形状和分布，可以使纳米棒/NSs或液晶分子取向，可以制造具有各种复杂结构的其他水凝胶或弹性体。只要对电极进行精确控制，可以将这些结构最小化到微米级或纳米级。通过使用结构光进行时空刺激，可以预期其他复杂的运动。活性软材料所产生的程序化变形和运动，在生物医学设备、柔性电子设备等方面具有巨大应用价值。

文献链接：Distributed Electric Field Induces Orientations of Nanosheets to Prepare Hydrogels with Elaborate Ordered Structures and Programmed Deformations.（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202005567）

本文由CQR编译。

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