《ACS APM》南华大学：可控形状变形纳米复合水凝胶，用于强大的多刺激响应致动器

1成果简介

本文，南华大学张也等研究人员在《ACS Appl. Polym. Mater.》期刊发表名为“Controllable Shape Morphing Nanocomposite Hydrogels for Robust Multi-Stimuli-Responsive Actuators”的论文，研究通过氢键引导两个或更多同质纳米复合（NC）水凝胶块的组装，已经简单地实现了具有出色机械性能、多刺激响应性能和多样化结构的惊人的各向异性水凝胶致动器。

使用粘土纳米片作为高效交联剂的 NC 水凝胶具有足够的强度，可以承受高水平的拉伸和压缩，并在嵌入氧化石墨烯（GO）纳米片或氧化铁（Fe3O4）纳米颗粒的基质中表现出灵敏的近红外（NIR）光响应，以及嵌入 Fe3O4 纳米颗粒的磁响应。这些具有可调成分、可定制形状和可控状态的均相数控水凝胶为各向异性致动器提供了一个多功能工具箱和复杂的形状变形能力。我们证明了我们的方法在制造各种致动器（包括爬行器、电路开关和目标货物运输工具）方面的可靠性和实用性，这归功于快速、可逆和可重复的温度/近红外光触发形状变形。总之，这项工作为开发应用均相数控水凝胶构建具有复杂结构和可控形状变形行为的坚固多反应致动器提供了一种简便而通用的策略。

2图文导读

图1. 异构 NCi//NCj 水凝胶（A-D）的制造策略示意图。典型的水凝胶块，即不同粘土含量的 NCi 和 NCj 水凝胶（A）紧密接触（B）。脱水是在 25 °C、相对湿度为 70% 的大气条件下进行的（C）。由于粘土纳米片和聚合物链在界面上有效的氢键作用，水合后得到了异质的 NCi//NCj 水凝胶（D）。

图2. 均质 NC6（A）、NC12（B）、NC18（C）、NC6[GO]（D）和 NC18[Fe3O4]（E）水凝胶以及具有不同结构的异质 NC6/NC12 水凝胶（F、I、K、L）的光学照片。环状 NC6[GO]//NC18 水凝胶（G）、NC6//NC18[Fe3O4]水凝胶（H）、NC6[GO]//NC18[Fe3O4]水凝胶（J）以及具有不同结构的 NC6/NC12//NC18 水凝胶（M、N）。标尺为 5 毫米。

图3. 典型组装 NC6/NC12 (A1) 和 NC6/NC18 (B1) 的光学图像，典型组装 NC6/NC12 (A2) 和 NC6/NC18 (B2) 的扫描电镜图像，NC6 (A3, B3)、NC12 (A5) 和 NC18 (B5) 水凝胶及其界面 (A4, B4) 的放大图像。

图4. 不同粘土含量的 NC 水凝胶的拉伸和压缩试验

图 5. NC6/NC12 和 NC6/NC18 水凝胶条在水中随着温度从 20 ℃ 快速升高到 55 ℃ 的动态热膨胀行为。

图6. 五角星形 NC6/NC18 水凝胶（A）、心形 NC6/NC12/NC18 水凝胶（B）、双层 NC6/NC12 水凝胶条（C）、环形 NC6/NC18 水凝胶（D）和双层 NC6/NC18 水凝胶（E）在 26 至 45 °C 温度范围内的热渗透行为光学照片。

图7. 环状异质 NC 水凝胶的应用演示。

3小结

总之，通过强氢键相互作用柔性组装均质数控水凝胶，成功实现了具有出色弹性性能、多刺激响应性和多样化特征的异质数控水凝胶。粘土纳米片作为有效的交联剂，赋予了数控水凝胶较大的伸长率和较高的拉伸/压缩应力，而较高的交联密度则有助于降低体积膨胀率和减缓体积收缩率。由于组装块之间存在明显的膨胀/溶胀差异，由 NC6、NC12 和 NC18 水凝胶块组装而成的异构 NC 水凝胶在响应温度变化时表现出复杂的形状变形。此外，GO纳米片和 Fe3O4 纳米粒子的加入使 NC 水凝胶具有近红外光和磁性响应。因此，由此产生的典型环状 NC6[GO]//NC18[Fe3O4]水凝胶表现出快速、可逆和可重复的温度/近红外光触发的形状变形和磁诱导运动，这使其能够用作爬行器、电路开关和定向传输载体。作者相信，作者的原理概念方法为制造具有可设计和可扩展形状变形能力的坚固多刺激响应致动器提供了一条通用路线，从而推动了软机器人技术的发展。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsapm.4c00548

来源：材料分析与应用