Science Advances:周期性圖案化水凝膠的協同變形

【引言】

大自然向人類展示過許多智能變形的范例，它啟發人們去設計具有可控彎曲，折疊和扭曲的仿生系統，并且對軟電子和執行器的發展也具有重要的意義。復雜的變形通常是在選擇域中通過少量的相互作用將典型結構融入其中來實現的。研究人員揭示了周期性圖案化水凝膠片的協同變形，其中相鄰的區域相互作用并協同變形。同時，他們也指出不同的響應聚合物也可以在一個復合凝膠中圖案化。在外界刺激下，能夠實現不同協同變形之間的可逆變換。這種協同變形的原理可以適用于其他材料，運用此原理，能夠將圖案小型化至微米級或納米級，為各種領域的應用提供具有先進功能的變形材料。

【成果簡介】

近日，來自浙江大學的吳子良副教授（通訊作者）等人在近期的Science Advances期刊上發表了一篇題為“Cooperative deformations of periodically patterned hydrogels”的文章。文章詳細介紹了周期性圖案化水凝膠片的協同變形現象，這種二維水凝膠片可在總的彈性能量的作用下自發變形為三維交替的凹凸結構。復合凝膠片由分散在高溶脹凝膠中的非溶脹凝膠通過光刻法制備。由于膨脹率的不同，錯配應變才導致了水凝膠的高度協同的三維變形。研究人員在揭示了上述原理之后發現，這種原理同樣適用于其他響應材料或者能夠將圖案小型化至微米級或納米級，從而將變形結構應用于可控潤濕性和軟機器人等領域。

【圖文導讀】

圖1 凝膠的光刻圖案和溶脹誘導的協同變形

A）將反應池中的前體溶液通過掩模暴露于紫外（UV）光照射下，以在曝光區域中產生圖案化凝膠。在除去殘余溶液（B）之后，將另一種前體溶液注入預成型凝膠（C）之間的間隙中；

D）無掩模的光聚合反應制備集成的圖案化凝膠；

E）周期性圖案化凝膠在水中溶脹后變形為交替的凹凸結構。藍色和紅色區域分別對應于不溶脹和高溶脹性凝膠；

F）相應溶脹凝膠的圖像。比例尺，1厘米。

圖2 圖案尺寸對凝膠變形的影響

A）顯示所制備的圖案化凝膠的尺寸，不溶漲圓盤狀凝膠排列成六邊形格子。黑色虛線表示變形的基本單位（三角形或菱形）。橙色虛線表示同心凝膠盤的形狀，其將變形為不同的構型（右圖）；

B,C）在水中膨脹的復合凝膠的典型構型；

D,E）具有不同尺寸的圖案化凝膠的變形相圖。

圖3 通過控制膨脹過程切換協同模式

A）三角形和菱形協同變形與平坦形狀之間的可逆形狀變化隨著NaCl濃度的變化而變化；

B）PAAm和P（AAm-co-AMPS）凝膠的長度λ的膨脹比作為鹽濃度的函數。

圖4 通過選擇性預溶脹控制協同變形

A,B）掩模（A）和一個復合凝膠（B）中相應組合的三角形和菱形模式做協同變形；

C,D）掩模（C）和程序協同變形所需的模式和方向（D）。

圖5 通過使用不同的掩模控制協同變形

方形PAAm凝膠（A）的周期性正方形排列，具有相同取向（B）或正交取向（C）的橢圓形PAAm凝膠的正方形排列，圓盤PAAm凝膠（D）的方形和菱形排列以及圓盤狀PAAm凝膠（E）的kagome排列。掩模和模型分別配置在變形圖案化凝膠的圖像之上和之下。掩模的白色和黑色區域分別對應于不溶漲PAAm凝膠和高溶脹P（AAm-co-AMPS）凝膠。

圖6 用多種響應聚合物制備的復合凝膠的形狀變換

具有方形排列的位于P（AAm-co-AMPS）凝膠中的PAAc和P（AAm-co-VI）凝膠圓盤擁有不同的取向（A）或者不同的周期（B），并且它們都能夠在不同的pH值下發生顯著的協同變形。

【小結】

協同效應在生物學和化學學中是普遍存在的，這種效應可以展示出驚人的現象和功能。研究人員揭示了具有周期性圖案化水凝膠的協同變形，這將使得水凝膠形成交替的凹凸結構。高膨脹區域的擴張受到嵌套的非滲出區域的限制，導致分隔區域的向上或向下彎曲。在此基礎上，研究人員所闡釋的這種原理同樣適用于其他響應材料或者能夠將圖案小型化至微米級或納米級，從而將變形結構應用于可控潤濕性和軟機器人等領域。

文獻鏈接：Cooperative deformations of periodically patterned hydrogels.（Science Advances，2017，DOI: 10.1126/sciadv.1700348）

通訊作者簡介：吳子良副教授，博士生導師，青年千人。1999.9~2003.7 浙江大學化學工程與生物工程學系，工學學士；2003.9~2006.3華東理工大學化學工程系，工學碩士；2006.10~2010.3 日本北海道大學生物系，理學博士；2010.6~2011.8加拿大多倫多大學化學系，博士后；2011.10~2013.5 法國居里研究所居里物理化學實驗室，博士后；2013.7~2013.9日本北海道大學先端生命科學研究院，博士后；2013.10~至今，浙江大學高分子科學與工程學系（2015年入選國家青年千人計劃）。主要從事仿生與功能性高分子水凝膠、彈性體方面的研究，已在Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Macromolecules等期刊發表論文40余篇。

本文由材料人編輯部高分子組點點編譯，材料牛審核整理。

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