北航劉明杰Adv. Mater.：通過正交超分子異質網絡制備雙重可編程形狀變形和自愈合油水凝膠

【引言】

可編程材料能夠改變其固有的形狀或屬性從而適應復雜的環境和用途，其適用于航空、智能設備以及生物醫學等方面，近些年來引起了人們極大的關注。形狀變形聚合物（SMP）是一種極具吸引力的可編程材料，其對外部刺激（如溫度、光、溶劑和電場等）能夠產生執行轉換或動作等形式變化。目前，已經有兩種常用的方法實現形狀編程的靈活性，第一種是諸如基里加米、折紙藝術和3D打印等獲得復雜SMP形狀的幾何輔助，第二種是通過使用創新的聚合物網絡設計來拓展SMP的可編程性。然而，多數具有單一控制途徑的SMP只允許復雜的臨時形狀恢復到之前的永久狀態，最終限制了這些材料的多功能性以及在復雜應用中控制它們的能力。因此，開發具有更高自由度的分級可編程材料仍然是一個挑戰。

【成果簡介】

近日，北京航空航天大學劉明杰教授課題組設計并開發了一種具有異質超分子網絡結構的雙重可編程形狀的變形油水凝膠，在該體系中金屬-超分子水凝膠骨架和微有機凝膠能夠獨立地響應不同的外部刺激，從而提供了正交的雙開關機制和超高機械強度。超分子異質網絡還具有優異的自愈合性質，而且這種正交超分子異質網絡顯示出分級的形狀變形性能，遠遠優于傳統的形狀變形材料。利用正交超分子異質網絡的雙重編程策略，可以在逐步形變過程中實現材料永久形狀的控制，進而實現具有更高自由度的復雜形狀變化。該成果以題為"Dual-Programmable Shape-Morphing and Self-Healing Organohydrogels Through Orthogonal Supramolecular Heteronetworks"發表在國際著名期刊Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1?超分子異質網絡油水凝膠的正交雙重可編程機制的示意圖

(A)?丙烯酰胺，丙烯酸，親油硬脂基甲基丙烯酸酯，正二十烷的化學結構以及乙烯基官能化二氧化硅納米粒子（VSNPs）的示意圖；

(B,C)?雙相異質網絡結構和超分子油水凝膠的正交刺激響應相互作用的示意圖。

圖2 油水凝膠的正交金屬/熱轉換力學和自愈合行為

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(A) 油水凝膠_0.2和油水凝膠_0.2-Fe的壓縮應變-應力曲線；

(B)?在10％應變下具有不同摩爾分數丙烯酸的油水凝膠的正切彈性模量；

(C) 在可逆的金屬-配體締合/解離過程中油水凝膠_0.2的金屬可調力學性能；

(D) 在變化溫度下油水凝膠_0.2-Fe的儲存模量（G'）；

(E)?在15.8?rad s^-1頻率掃描下油水凝膠_0.2-Fe的儲存模量（G'）；

(F)?在微有機凝膠包裹體的相變結晶/熔融循環過程中油水凝膠_0.2-Fe的穩定熱切換力學性能；

(G) 原始和愈合后的油水凝膠_0.2的拉伸應變-應力曲線；

(H) 在高于微有機凝膠包裹體熔化溫度（Tm）的溫度下愈合后油水凝膠_0.2承受拉伸的圖像；

(I) 油水凝膠_0.2的自愈合效果的圖像。

圖3超分子異質網絡油水凝膠的分級形狀變形性能

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(A)?雙可編程形狀變形行為的示意圖；

(B) 油水凝膠進入復雜基里加米結構的分級形狀變形性能；

(C) 顯示順序永久基里加米形狀記憶的圖像。

圖4分級形狀變形過程和定量表征

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(A, B) 油水凝膠折紙形狀的變化以及順序配置的永久折紙形狀；

(C)?在分級形狀變形過程中油水凝膠內部異質網絡結構進行實時觀察的CLSM圖像；

(D)?具有不同體積比（V_H）和微有機凝膠（V_O）組分的油水凝膠的形狀固定率（R_f），形狀恢復率（R_r）和形狀記憶率（R_m）；

(E) 具有不同摩爾分數丙烯酸的油水凝膠的R_f、R_r和R_m。

圖5 逐步多維形狀變化

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(A, B)?從永久的2D形態記憶到可恢復的臨時3D形狀編程的逐步形狀改變過程；

【小結】

在本文中，作者利用正交超分子異質網絡實現了雙重編程形變油水凝膠，能夠逐步操作復雜的折紙、基里加米和多維形狀變化。基于這種行為，這些超分子油水凝膠可以作為仿生智能裝置，用于按需控制自發單向液體運輸。因此，這種油水凝膠設計為擴展可編程變形材料在軟機器人、智能設備和生物工程材料等領域的應用提供了機會。

文獻鏈接：Dual-Programmable Shape-Morphing and Self-Healing Organohydrogels Through Orthogonal Supramolecular Heteronetworks

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201804435?(Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201804435)

本文第一作者為劉明杰老師的學生趙紫光博士，由材料人編輯部Alisa編輯。

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