双层水凝胶是一种独特的软材料,在领域内经常被赋予各种刺激响应功能,可实现按需形状转换和变形,目前已广泛应用于人造肌肉、软电子和人机界面等的设计。制备双层水凝胶的常规策略通常涉及两步或多步的逐层聚合。例如,常规制备过程包含两步: (i) 聚合形成第一层水凝胶; (ii) 将第一层浸入第二层的前驱体溶液中,然后原位引发、聚合以形成第二层水凝胶。虽然这种逐层聚合策略对于异质结构的构筑十分有效,且适用于范围广泛的单体和交联剂;但逐步聚合存在某些固有的缺点,即第二层的预聚液不可避免地扩散并溶胀第一层凝胶,这一过程往往无法精确控制,因此导致水凝胶界面产生不均匀的互穿网络和异质缺陷。进一步地,双层界面处的结构不匹配极易导致缓慢的响应能力、弱界面结合力甚至层间脱离, 难以实现水凝胶的可持续应用。目前,为了解决这一问题,研究人员通常将提高界面粘附力和力学强度作为设计的关键点,在凝胶层间引入高度可逆的化学键(如离子缔合、超分子相互作用、氢键等)。
图1. 通过自由基聚合差异诱导宏观相分离策略制备双层水凝胶。
在通过一系列不同的单体进行预筛选后,作者确定了一类乙烯基单体和一类两性离子苯乙烯基单体,用于通过聚合诱导的宏观相分离机制制备双层水凝胶(乙烯基和苯乙烯基单体都具有良好的水溶性)。聚乙烯基(例如 pNIPAM)链段具有典型的热响应性,具有从亲水性(<LCST)到疏水性(LCST)的相转变过程,而同时结构性聚苯乙烯基两性离子网络(pVBPS)表现出离子强度依赖性。经一锅法制备得到的 pNIPAM-pVBPS 双层水凝胶由 LCST 层(PNIPAM主导)和两性离子层(PVBPS主导)组成,两层之间具有无缝界面,并且通过控制自发的宏观相分离在多长度尺度上可编程层厚度。
图3. 宏观相分离策略用于制备双层水凝胶的通用性。
图4. 不同乙烯基单体(6 种丙烯酰胺、6 种丙烯酸和 2 种叔胺衍生物)在通过反应诱导宏观相分离合成双层水凝胶时的层分离效率-化学结构的关系。
全文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.3c00149
- 岭南师范学院陈耀光、中山大学章自寿团队 CEJ:多功能自由基聚合物粘结剂构筑高功率高能量密度有机/无机杂化电极 2024-01-26
- 香港科技大学高寒宇教授团队 Macromolecules:用于线性自由基聚合的动态蒙特卡洛模拟的缩放加速算法 2024-01-11
- 曲阜师大陈威/李楠、齐鲁工大吉兴香 ACS APM:基于单宁酸和可聚合咪唑型低共熔溶剂的多功能导电弹性体 2023-12-18
- 川大金勇教授团队CEJ:具有不对称黏附、抗菌和自供电功能的可视化多传感交互式仿生离子皮肤 2022-03-06
- 中科院兰州化物所仿生微纳米复合双层结构材料研究取得系列进展 2012-03-16
- 东华大学武培怡/雷周玥团队 Angew:刺激响应水凝胶实现含羞草启发的应激响应行为 →多模态、多路径的刺激响应变形 2024-03-29
- 湖南工业大学许建雄课题组《Nano Energy》:基于锂水合离子掺杂双网络水凝胶的摩擦纳米发电机用于低温生物力学传感和能量收集 2024-03-29