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水凝胶组装体的仿生可逆突变

高分子科技

2016-08-12

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智能受激形变材料可在诸如温度、pH、光照等环境条件变化时主动地发生形状变化，是许多高附加值器件的核心部件，在航空航天、生物医学、智能制造等领域已显示出诱人的应用前景。在这些器件应用中，材料形变行为的多样性与可控性至关重要。然而，由于受激形变过程中传质传热等推动力逐渐变小，材料的形变往往是由快到慢的连续渐变过程。

图1. 基于机械失稳的捕蝇草非连续突变捕蝇过程（Forterre Y, et al., Nature, 2005, 433, 421）

另一方面，自然界显示出了一些与之不同的奇妙现象。例如捕蝇草捕食昆虫的过程，就是由慢变快的非连续突变过程（图1）。其原理是捕蝇草叶片可发生机械失稳的翘曲结构。受到这种结构的启发，浙江大学化学工程与生物工程学院谢涛教授、赵骞副教授课题组与力学系李铁风副教授合作，以环境敏感水凝胶为例，开发了一种可实现可逆非连续突变的智能材料结构。在前期基于超分子粘结的水凝胶模块组装（Advanced Materials, 2014, 26, 5565）的工作基础上，研究者将预拉伸后的环境敏感水凝胶模块进行组装，构筑了具有弹性能垒的双稳态水凝胶结构。环境条件变化时，水凝胶组装体在翻越弹性能垒的过程中，发生缓慢的形变；一旦越过能垒，组装体就将发生快速变形，从而实现非连续突变。更重要的是，在不同刺激条件下，组装体的突变可以被不断可逆地触发，比捕蝇草的非可逆突变更进了一步（图2与图3）。该研究在近期的Materials Horizons（DOI: 10.1039/C6MH00167J）上发表，被选为当期的内底封面，并被Chemistry World与Scientific American等媒体报道。