华中科大：基于分子开关的水下仿生光驱水凝胶致动器

水凝胶具有生物软组织类似的生物相容性和理化特性，是柔性致动器的理想选择之一。智能水凝胶致动器可在外部刺激（例如温度、光与磁场等）的触发下改变其原始形态，模仿水生生物的水下运动。近年来，水凝胶光驱致动器由于其在水下的可远程控制的光机械（photomechanical）行为引起了广泛关注，但尚存在对紫外线的依赖、缓慢的驱动速度以及有限的形变形态等问题。向水凝胶聚合物材料中引入具有快速光化学响应特性的光致变色分子开关，有望为此提供可行解决方案。

近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心朱明强教授-李冲副教授团队以六芳基联咪唑（HABI）分子开关为动态交联剂，以季戊四醇为固定交联剂（图1b），设计合成了一种双交联聚氨酯（PU）水凝胶。光照时，HABI单元中的动态C-N共价键解离（图1a），材料的总交联密度下降，引发材料的溶胀（图1c）。固定的季戊四醇交联网络则保障了材料优异的力学性能和可重复使用性。

图1. PU水凝胶分子设计与各向异性形变机理：（a）室温下，HABI分子开关中动态C-N共价键的可逆裂解；（b）PU水凝胶合成过程中所用到的单体；（c）PU水凝胶在水下的各向异性弯曲机理，光照来自水凝胶材料的右侧。

该PU水凝胶（0.2 mm厚）能够响应405 nm光照并表现出多样化的各向异性转变。仅几十秒内，通过改变入射光的照射模式直接进行时空编程，PU水凝胶可实现卷曲、扭曲和折叠等的水下三维形变（图2）。

图2. PU水凝胶(0.2 mm厚)的水下多样化三维形变：（a）水下光控卷曲；（b）水下光控扭曲；（c）水下光控折叠。左侧模型图中的红色区域代表材料右侧面入射光的照射区域。

另外，该团队利用PU水凝胶材料构造了仿生花驱动器，在来自不同侧面的光照下，实现了仿生花驱动器光控开、合的动作；同时，由此PU水凝胶材料制造的水凝胶滚轮可实现光驱动运动。

图3. 仿生驱动：（a）仿生花的局部光驱开合；（b）水凝胶轮的光驱移动；（c）水凝胶轮光驱移动的机理图。

该工作通过在凝胶聚合物网络结构中引入具有快速光化学响应特性的HABI分子开关单元，为解决水凝胶材料驱动速度慢、形变形态有限等问题提供了一种有效思路。同时，具有双共价交联网络的PU水凝胶材料具有优异的机械性能，在仿生驱动、生物传感与柔性机器人等领域具有广阔的应用前景。

以上相关成果发表在Nano Energy (Visible-light-driven isotropic hydrogels as anisotropic underwater actuators. Nano Energy. 2021, 85, 105965.)。项目由国家自然科学基金、973计划等共同资助，论文第一作者为华中科技大学光电国家研究中心博士生向诗力。通讯作者为华中科技大学光电国家研究中心朱明强教授和李冲副教授。

图4.光致变色分子及其光响应材料的光驱形变效应示意图

朱明强教授-李冲副教授团队近年来发展了光塑性的概念，在关于HABI的光响应智能聚合物材料方面开展了多项原创性的工作，先后利用HABI实现了聚合物弹性体材料的光致固液转化【ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019,11, 23623】、光塑性弹簧【Chem. Mater.,2019,31, 5081】、光致可逆断裂-自愈合【Mater. Chem. Front., 2021,5, 1364-1372】以及光驱形变水凝胶驱动器【Nano Energy. 2021, 85, 105965】。基于此，他们最近受邀在Journal of Polymer Science期刊上综述了光致变色分子在光机械水凝胶领域的研究进展（图4）[Photomechanical polymer hydrogels based on molecular photoswitches. J. Poly. Sci, 2021, 59, 2246, 论文作者为骆鹏飞（第一作者）、向诗力、李冲副教授（通讯作者）、朱明强教授（通讯作者）]。

来源：华中科技大学

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105965

https://doi.org/10.1002/pol.20210567