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“气到起飞”的水凝胶驱动器

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还以为水凝胶驱动器仍停留在水中低速驱动吗?No!《Nature Communication》最新发文,在空气中工作的光敏水凝胶驱动器,运动速度可达到1.6 m/s,超过正常人步速(1.5m/s),响应速度快 (800 ms)并可选择方向进行弹射(15 cm)。


苏州大学董彬教授团队采用“悬浮聚合法”制备了一种壳状结构的水凝胶驱动器,驱动器由表面壳及内芯构成。聚丁二烯橡胶(PBR)构成的外壳可以有效防止水凝胶的水分散失到空气中,内芯为半径为1 mm纳米四氧化三铁-丙烯酸钠(PAANa-IONP)复合球型水凝胶(图1a)。带正电(+18mv)的具有油胺表面配体的纳米Fe 3 O 4 同带有负电的PAANa水凝胶(-24 mV)可以通过静电相互作用紧密结合在一起 (图1b),且Fe 3 O 4 在800-850nm波段光线具有良好的吸收性能并能够将光能(近红外光)转化为热能。因此,复合水凝胶能够在辐照区产生局部温度变化,进而汽化凝胶内部水分,瞬间改变凝胶形状,从而完成热能到机械能的转化(图1c-f)。


图1. (a)水凝胶驱动器的制备流程 (b)驱动器示意图(左)、驱动器内部结构示意图(右) (c) 驱动器跳跃示意图(2.34 W) (d)驱动器跳跃 (2.34 W)照片 (e)驱动器滚动示意图(2.34 W) (f)驱动器滚动(2.34 W)照片

该团队认为纳米 Fe 3 O 4 的光热作用可以使水凝胶驱动器的温度迅速升高,导致水凝胶内辐照区域内的水蒸发,并迅速形成气泡(图2a),快速膨胀地局部突起撞击基底,反作用力为跳跃和滚动行为提供驱动力,并通过高速摄像机、热成像和计算机模拟研究了跳跃行为的机理。光照条件下,水凝胶驱动器中瞬间(3.2ms)出现的气泡(图2b-e),光照后驱动器的温度由22℃升高到126℃(图2f-h),超过水的沸点。


图2. (a)水凝胶驱动器的局部形状变化及其在光照射下的水汽化过程 (b-e)水凝胶驱动器在水凝胶驱动器底部2.34 W光照射下的起飞过程 (f)光照射前驱动器红外热图像 (g)光照射后驱动器红外热图像 (h)跳跃过程中的温度变化


起飞瞬间

水凝胶驱动器的运动(跳跃和滚动)速度与水含量、纳米 Fe 3 O 4 含量和驱动器的尺寸有很大的关系。水凝胶驱动器在照射下产生的水蒸气数量有限,所以水含量低(只能产生较小的气泡)以及水含量高(降低光热效应造成的加热效率),均会降低驱动器移动速度;纳米Fe3O4含量高时凝胶柔韧性降低进而气泡诱导变形变小,反作用力小;尺寸 小的驱动器变形区域小、尺寸大的驱动器重量过大,均会导致运动速度的下降。 通过大量实验, 发现驱动器的最佳水含量为60% wt.%,最佳Fe 3 O 4 含量为2%,最佳半径为1mm。探究人员 通过调节激光功率和照射位置,可以实现水凝胶驱动器不同的运动行为(跳跃或滚动),在激光功率为0.04 ~ 0.39 W之间滚动,在0.39 ~ 0.67 W之间可以跳跃或滚动(取决于照射位置),在0.67 ~ 2.34 W跳动。

图3. (a)跳过障碍物 (b)滚过斜坡 (c)穿过狭缝 (d)穿过透明的z形管道

滚动:


跳跃:


穿越:


基于精确的控制,该水凝胶驱动器在不同的环境下表现出优异的适用性。水凝胶驱动器不仅可以跳过障碍(最大高度14cm),也可以在倾斜基底上快速滚动。目前该水凝胶驱动器的最大翻转角度为15°,可以连续通过1.6mm的狭缝。有趣的是,水凝胶驱动器在复杂环境(如透明z管)中移动时,能够表现出复杂的滚动和跳跃组合行为(图3a-d)。


跳跃障碍

光驱动是一种无拴推进方法,适用于在狭小封闭的空间内实现高精度驱动,这是手动操作无法实现的。该水凝胶驱动器具有良好的耐久性,规避了普通水凝胶驱动器需要的液体环境,在机器人技术、生物技术和其他微型装置的广泛应用中具有很大的潜力。

来源:高分子科学前沿

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