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固體潤滑國家重點實驗室強收縮高能量密度水凝膠材料研究取得新進展
日期:2020-12-09 | | 【

  環境響應型水凝膠,也稱爲“刺激響應”或者“智能”水凝膠,因爲其高的含水量、彈性、滲透性、外界刺激響應性和大的變形等優點,被廣泛應用于生物醫學、軟體機器人等領域。目前,大多數智能水凝膠的響應變形均憑借凝膠體內和體外滲透壓的變化。然而,在這種滲透驅動機制下,凝膠材料的驅動力和響應速度間相互矛盾,如圖1所示。要打破這個矛盾,需要從分子尺度設計並且提出一種異于傳統“滲透型”水凝膠的非常規驅動機制。  

 

  圖1. 传统渗透型水凝胶的力和速度之间的矛盾

  近日,固體潤滑國家重點實驗室周峰研究員團隊和美國加州大學洛杉矶分校賀曦敏教授團隊合作,通過仿生青蛙跳躍過程中肌肉的加速機制,提出了一種非常規驅動模式(彈性驅動),打破了傳統滲透型水凝膠驅動機制力和速度之間的矛盾,成功制備了一種強收縮高能量密度的水凝膠材料,如圖2所示。與滲透驅動型水凝膠相比,彈性驅動型水凝膠具有側鏈觸發主鏈,主鏈自主收縮、彈性回彈,形變與網絡中水分子的傳輸無關等優點,其收縮強度和能量密度分別高于滲透型水凝膠10倍和1000倍。  

 

  圖2. 仿生青蛙跳跃过程中的能量储存机制设计强收缩高能量密度凝胶材料

  

 

  圖3. 基于羧酸和铁的配位和解配位的能量储存和释放方案

  該研究成功解決了傳統滲透型水凝膠長期存在的“速度和驅動力”之間的矛盾,打破了傳統滲透型水凝膠材料的能量密度極限,甚至與生物肌肉(15 KJ/m3 Vs. 8 KJ/m3)相當;新驅動機制將化學能直接轉換爲機械能,減少了中間步驟熱量産生和耗散,因而具有高的能量轉化效率(49%);保持高響應速度的同時能夠産生大的收縮力;可以重複多次編輯,編輯方式多樣,實現了可控的多穩態變形(各向異性或各向同性的變形)。  

 

  圖4. 强收缩力和高能量密度

  該工作爲設計和制備強收縮、高能量密度、多形變模式的水凝膠材料提供了新策略。研究工作以“Bioinspired high-power-density strong contractile hydrogel by programmable elastic recoil”爲題發表在Science Advances (DOI: 10.1126/sciadv.abd2520)。蘭州化物所爲該工作的第一單位,馬延飛、華牧天博士爲論文的共同第一作者,賀曦敏教授、周峰研究員爲共同通訊作者。此前,周峰團隊發明了利用鐵離子-羧酸根的強配位作用構築超高機械強度和韌性的水凝膠體系(Advanced Materials 2015, 27 (12), 2054-2059),已被引用423次,接著通過拉伸狀態下固定分子構象制備了各向異性結構的水凝膠,將水凝膠的拉伸強度提升到40MPa(Small,2016, 12(32): 4386-4392.),爲本課題的研究奠定了基礎。

  以上工作得到了國家自然科學基金、中國科學院國際合作項目、國家重點研發計劃,美國國家科學基金會等的資助和支持。

來源:固體潤滑國家重點實驗室