北理工陈煜教授团队 AFM：琼脂/两性离子水凝胶用于温度自感知和电响应驱动

2024-01-10 来源：高分子科技

水凝胶驱动器可以通过收缩、膨胀或弯曲将pH值、光、温度、磁场和电场等外部刺激转化为机械运动。其中，电响应水凝胶驱动器因其能耗低、响应速度快、在外部电场刺激下可实现精确的“开/关”过程而备受关注。尽管目前的研究已经证明了电响应水凝胶的大变形和快速响应的特点，但大多数研究中的电响应水凝存在响应电压范围较窄的问题。

针对这一问题，北京理工大学材料学院陈煜教授团队联合新加坡南洋理工大学Nam-Joon Cho教授团队，采用一种简单、可控的预成型后增强和机械压制方法，将聚两性离子引入对温度敏感的琼脂基质中，制备了一种多功能的琼脂/两性离子水凝胶驱动器（图1）。这种水凝胶驱动器显示了具有良好的机械性能、粘附性能，可以同时对高压和低压电场做出快速响应，并且具有人眼可识别的温度自感知能力，展现出了在软机器人和受控运输粘附物质方面的应用潜力，为构建一类兼具良好力学韧性和优异电刺激响应行为的多功能水凝胶提供了指导。

图1. Agar/PSBMA 水凝胶的合成。

Agar/PSBMA水凝胶的物理/化学双网络结构以及机械压制法能有效提高水凝胶的机械性能（图2）。压制后Agar/PSBMA水凝胶的断裂能达到5740 J m^-2，是压制前水凝胶的11倍。此外，压制后的水凝胶在50次加载-卸载循环后的拉伸强度保持率为 100%，这表明水凝胶优异的抗疲劳能力。

图2. Agar/PSBMA 水凝胶的力学测试。

由于PSBMA两性离子基团之间强烈的静电作用，产生了最高临界温度转变（UCST）的温敏行为，因此Agar/PSBMA水凝胶驱动器可以实现温度自感知。随着温度的变化，Agar/PSBMA水凝胶在10-40 ℃温度范围内表现出不同透明度的变化趋势（图3），而这种温度自感知现象是由材料本身实现的，无需其他传感装置，因此可用于水凝胶驱动过程中温度的监测，防止过热现象的发生。

图3. Agar/PSBMA 水凝胶的温度自感应特知。

Agar/PSBMA水凝胶电响应驱动器具有良好的高压响应性（图4），弯曲角度可以在1秒内增加到86°，机械压制法确保了水凝胶在循环致动过程中不易断裂。其也具有良好的低压响应性。在15V的低压下，Agar/PSBMA水凝胶驱动器可在30分钟内表现出55°的最大弯曲角度，电压的增加可以增加水凝胶驱动器的最大弯曲角和响应速度。Agar/PSBMA水凝胶可以粘附质量为自重十倍的物体并推动其向电极方向移动，因此，这种驱动器有可能用作智能推杆，控制被粘附物体的推进运输。

图4. 水凝胶的高压电响应性能测试。

该成果以“Versatile Agar-Zwitterion Hybrid Hydrogels for Temperature Self-Sensing and Electro-Responsive Actuation”为题发表在TOP期刊Advanced Functional Materials上。北京理工大学和新加坡南洋理工大学联合培养博士研究生杨珏莹和北京理工大学硕士研究生黄炜婷为共同第一作者，北京理工大学材料学院陈煜教授和新加坡南洋理工Nam-Joon Cho教授为论文共同通讯作者。该工作受到北京市自然科学基金、国家留学基金委和新加坡教育部的资金支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202313725

下载：Versatile Agar-Zwitterion Hybrid Hydrogels for Temperature Self-Sensing and Electro-Responsive Actuation

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（责任编辑：xu）

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