武汉大学常春雨/江南大学陈敬华课题组 CEJ: 利用磁场诱导制备非对称水凝胶纤维用于强韧的可编程形变驱动器

2023-11-11 来源：高分子科技

水凝胶驱动器可以响应外部刺激发生形变，因此在软机器人、智能织物和人工肌肉等领域具有巨大潜力。良好的机械性能、快速响应速度和复杂的形状变化是水凝胶驱动器在实际应用中的关键。

近期，武汉大学常春雨教授课题组和江南大学陈敬华教授课题组采用磁场诱导策略制备了一种可编程的双物理交联水凝胶纤维。在外部（湿度或溶剂）刺激下，水凝胶纤维表现出优异的机械强度（28.9 MPa）和快速响应速度（3.2°·min^-¹·mm^-¹）。并且通过设计磁铁的摆放实现了水凝胶驱动器的可编程形变，可以进一步应用于智能抓手和智能窗帘。相关工作以“Magnetic-field induced asymmetric hydrogel fibers for tough actuators with programmable deformation”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。

如图1所示，首先利用磁铁的摆放固定了Fe₃O₄@CNCs的分布，然后通过AM、AA和Ad-AM单体的原位聚合得到了非对称结构的水凝胶。最后，将水凝胶预拉伸后浸泡在FeCl₃溶液中得到了最终的纤维驱动器，其中Fe³⁺/-COO^-配位作用固定了水凝胶纤维的各向异性结构。由于Fe₃O₄@CNCs的非对称分布，水凝胶纤维可以在溶剂的刺激下发生弯曲形变。

图1. 水凝胶纤维驱动器的制备和驱动示意图。

Ad-AM和β-CD-TCNCs间的主客体相互作用使水凝胶具有高度可拉伸性。从AFM和SEM可以看出，随着预拉伸应变的增大，水凝胶网络结构从各向同性转变成各向异性，并且纤维直径逐渐减小。此外，通过拉曼技术表征了水凝胶的非对称结构。在磁场诱导下，顶部和底部的一维曲线和二维图像差别明显，水凝胶三维拉曼图像呈现出上红下绿的不均匀结构，表明了Fe₃O₄@CNCs的非对称分布（图2）。

图2. 水凝胶纤维的结构表征。

通过控制磁铁的摆放可以设计出具有更多复杂形变的水凝胶纤维，包括“J”、“U”、“S” 、“W”的字母形状和可伸缩的弹簧形状。为了证明其潜在的应用价值，进一步将非对称水凝胶制备成抓手在乙醇和水中抓取和释放物体，模拟货物运输。另外，可以将不同种的水凝胶纤维组合成智能窗帘，在雨天（高湿度）和晴天（低湿度）自动关闭和打开（图3）。

图3. 水凝胶纤维的可编程形变以及作为智能抓手和智能窗帘的应用。

本论文的第一作者为武汉大学与江南大学联合培养博士研究生翟艳铎，共同第一作者为武汉大学硕士研究生龚宸，共同通讯作者为武汉大学常春雨教授和江南大学陈敬华教授。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和湖北省重点研发计划的支持。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147088

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（责任编辑：xu）

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