浙大Adv. Mater.：制備具有精細有序結構和程序化變形的水凝膠

【背景介紹】

生物體利用具有不同尺度的各向異性結構的軟組織的時空控制擴展和收縮來實現復雜的三維（3D）變形和運動，從而實現多功能和迷人的功能。基于這些自然現象，科研者致力于通過使液晶或納米顆粒雜化來開發具有各向異性結構的軟活性材料，以實現各種特定的功能。但是，薄膜的厚度和尺寸通常受到微米級的限制，且該策略無法擴展到其他系統。目前，主要依靠分子自組裝、機械應變/剪切、外部電場/磁場和3D打印等策略來制備各向異性水凝膠。然而，要對外部場的分布進行編程以形成納米顆粒的精細排列仍然面臨重大挑戰。此外，利用3D打印技術制備各向異性水凝膠的策略很耗時，并且僅限于很少的特定系統。因此，尋求一種簡便且通用的方法來設計具有精細有序結構的水凝膠，以實現可編程的變形和運動顯得尤為重要。

【成果簡介】

近日，浙江大學鄭強教授和吳子良副教授、德國拜羅伊特大學Josef Breu等人報道了一種簡便的策略，即利用分布式電場制備具有精細有序結構納米片（NSs）的水凝膠。在含NSs和金納米顆粒的前驅體溶液中，多個電極以不同的排列方式分布。復雜的電場會引起NSs的復雜取向，這些取向在后續的光聚合作用中永久刻寫下來。由于介質的介電常數和NSs之間的電斥力的快速轉換，所得各向異性納米復合聚（N-異丙基丙烯酰胺）水凝膠在加熱或光輻照下顯示出快速變形。復雜的NSs排列和離散區域的各向異性形狀變化導致水凝膠的程序化變為各種構型。此外，通過時空光刺激可以局部觸發具有復雜各向異性結構的復合水凝膠的形狀變化。這種基于分布電場產生有序結構的策略也適用于凝膠、彈性體和裝有其他各向異性顆粒或液晶的熱固性材料，有助于設計具有特定功能的仿生材料。該工作成果以題為“Distributed Electric Field Induces Orientations of Nanosheets to Prepare Hydrogels with Elaborate Ordered Structures and Programmed Deformations”發表在著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、利用一對極性相反的點電極制備具有精細有序結構的水凝膠
（a）各向異性水凝膠的合成過程示意圖；

（b-c）由分布電場引起的NSs取向示意圖和對應的POM圖像。

圖二、納米復合水凝膠的各向異性結構、力學性能和響應性
（a）復合水凝膠中NSs的排列示意圖；

（b-c）從n、//和⊥方向探測到水凝膠的2D SAXS模式和相應方位角圖；

（d-e）從//和⊥方向拉伸凝膠樣品的拉伸應變-應力曲線和三個平行測試的相應力學參數；

（f-g）在25?^oC和37?^oC水浴中循環孵育后，凝膠尺寸的照片、示意圖和相對長度的變化；

（h）在光照射下，水凝膠各向異性形狀變化的照片；

（i）在不同功率強度綠光照射下，水凝膠的溫度變化；

（j-k）在循環光照射下，溫度的可逆變化和水凝膠的尺寸。

圖三、具有NSs徑向排列的水凝膠及其在加熱或光照下的程序化變形
（a-b）通過使用圓形或三角形電極和相反極性的點電極制備具有NSs徑向取向的水凝膠，在加熱或光照射下會變成鞍形；

（c-d）由兩個或三個區域組成的水凝膠，其NSs呈放射狀排列且在加熱或光照下會變形。

圖四、具有NSs周期性有序結構的水凝膠及其在加熱和光照下的程序化變形
（a-b）由四個具有交替極性電極制備的水凝膠的基本單位，以及具有相反極性平行排列的電極對；

（c）具有五個基本結構單元的十字形水凝膠，其變形為開箱式結構；

（d-f）帶有九個基本結構單元的圖案化水凝膠：d）交替的凹凸-凹凸構型；e）凹凸不平的拱形構型；f）凹陷的圓頂構型。

圖五、在溫度空間光照射下，各向異性水凝膠的程序化變形和運動
（a）制備具有NSs的徑向排列的水凝膠環，在加熱或光照射下會變形；

（b）在以1.05 rad s^-1的速度對激光束進行圓形掃描時水凝膠環平移和旋轉運動的照片；

（c）制備具有精細有序結構的矩形水凝膠條，在加熱或光照射下變形為3D構型；

（d）在凝膠條中央區域受到脈沖光照射后，矩形水凝膠的類海鷗滑動運動。

【小結】

綜上所述，作者開發了一種簡便的策略，可以通過使用多個電極來編程在聚合和交聯過程之前定向NSs的電場分布，從而制備具有精細有序結構的水凝膠。通過布置電極的形狀和分布，可以使納米棒/NSs或液晶分子取向，可以制造具有各種復雜結構的其他水凝膠或彈性體。只要對電極進行精確控制，可以將這些結構最小化到微米級或納米級。通過使用結構光進行時空刺激，可以預期其他復雜的運動。活性軟材料所產生的程序化變形和運動，在生物醫學設備、柔性電子設備等方面具有巨大應用價值。

文獻鏈接：Distributed Electric Field Induces Orientations of Nanosheets to Prepare Hydrogels with Elaborate Ordered Structures and Programmed Deformations.（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202005567）

本文由CQR編譯。

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