自变形(self-shaping)材料的研究对医疗器械、软机器人等领域具有重要意义。之前的研究表明,通过在水凝胶中构筑厚度或平面方向的梯度结构,可以控制水凝胶在溶胀过程中产生的应力分布,从而实现可控变形。这些研究集中在弯曲、折叠、螺旋、褶皱等简单模式的变形,如何实现更加复杂、可控的变形模式是该领域的基本问题之一。
浙江大学高分子系功能材料与流变学课题组研究发现,周期性图案化水凝胶会发生协同变形,自发形成交替的凹凸结构(图1)。通过光模板法,不溶胀的圆形聚丙烯酰胺水凝胶以正方形阵列位于高溶胀的聚(丙烯酰胺-co-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)凝胶中。在溶胀过程中,高溶胀率的水凝胶会向上凸起或向下凹陷,从而降低整个凝胶的弹性能,相临区域的水凝胶向相反的方向屈曲,呈现变形协同性从而形成交替的凹凸结构。
图1:周期性软化水凝胶制备及其协同变形
为了探索协同变形机理,图案化水凝胶中的不溶胀区域排列成六边形阵列结构,其协同变形存在两种不同的模式,分别以三角形或者菱形为协同变形的基本单元(图2)。实验和模拟结果显示,协同变形模式的选择取决于图案的结构参数以及水凝胶的性质。
图2:六边形阵列图案化水凝胶的协同变形:菱形模式与三角形模式
该研究发现的局部变形呈现协同性,其机理可适用于其它智能材料。论文发表于Science Advances(2017,3, e1700348),论文第一作者为硕士生王志健,吴子良副教授与爱荷华州大学洪伟副教授为共同通讯作者,该工作得到了国家自然科学基金和“青年千人计划”的资助。
文章链接:
http://advances.sciencemag.org/content/3/9/e1700348
Zhi Jian Wang, Chao Nan Zhu, Wei Hong*, Zi Liang Wu*, Qiang Zheng, Cooperative deformations of periodically patterned hydrogels, Science Advances, 2017, 3, e1700348
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