【儀表網 研發快訊】生物體能夠隨捕食、避險等生命活動需要或環境改變而靈活變化形狀。近30年來，研究人員發展出雙層、梯度、取向、宏觀組裝等策略，設計了眾多具有不對稱刺激響應性的水凝膠，來模仿自然界生物的復雜精妙變形，理解變形機制。這些水凝膠的不同部位或方向在pH、電、光、磁場、溫度、濕度、流體壓力等刺激下產生顯著的溶脹程度或力學性質差異，形成內應力，驅動整體折疊、彎曲、扭轉、隆起、起皺。然而，這些不對稱構筑結構是在材料制備過程中產生的，被成型水凝膠的高分子網絡所固定。因此，其變形所能實現的形狀有限，難以靈活更改。如何讓已成型的均質或各向同性水凝膠獲得可重構的非均質性或各向異性，進而按照重新編輯的程序變形，是一項巨大挑戰。
針對上述問題，中國科學院寧波材料技術與工程研究所陳濤研究員帶領團隊與寧波工程學院高國榮副教授合作，在受海洋變形蟲靈活改變形態以適應海水鹽度變化的啟發下(圖1a)，發展了一種將鹽溶液圖案化地滲入水凝膠以重構其各向異性，更改其變形程序的新策略。該策略的實現依賴于高分子網絡上的靜電吸引-靜電排斥可逆變化，以及水凝膠內外滲透壓。聚兩性電解質水凝膠帶有相同化學計量數的COO?和N+(CH3)3基團，存在靜電吸引(圖1b, c)。浸入HCl/NaCl溶液后，水凝膠溶脹。此處，因為COO?質子化成了COOH，聚兩性電解質變得像陽離子聚電解質，存在N+(CH3)3/N+(CH3)3靜電排斥(圖1d)。再轉移到水中，水凝膠首先進一步溶脹，接著又自發轉向去溶脹，最終恢復初始尺寸。此處，再溶脹是聚電解質行為，由滲透壓驅動(圖1e)，如同先到NaCl溶液中吐出水的聚陽離子水凝膠轉到水中的再吸水，亦如同變形蟲或海蜇從高鹽度海水過渡到淡水中的吸水溶脹；去溶脹是反聚電解質行為，由于水凝膠內部pH值上升和H+、Na+、Cl?往外透析，COOH去質子化成COO?并重新與N+(CH3)3吸引配對，牽引高分子網絡緩慢收縮(圖1f)。基于此溶脹-再溶脹-去溶脹機制，圖案化地吸收HCl/NaCl溶液的聚兩性電解質水凝膠因整體不對稱溶脹而變形，進入水中后，它首先隨圖案區域再溶脹而進一步增加變形程度，接著又隨自發去溶脹恢復各向同性和原始形狀，從而，得以按照更改過的新圖案進行下新一輪變形循環。例如，往水凝膠圓片邊緣繪制圓環圖案(圖1g)，使其吸收HCl/NaCl溶液而翹曲成馬鞍形，轉到在水中，它進一步翹曲，接著，自發恢復成原片。該研究不僅提出了一種實現水凝膠自發再溶脹-去溶脹轉變的機制，也展示了一種以鹽溶液為“墨水”，圖案化重構水凝膠各向異性的方法，為研究軟材料的變形規律開辟了新途徑。
這項工作發展出了一種新穎的重構水凝膠各向異性的方法，適用于研究軟材料如何通過溶脹從2D形狀轉變為3D形狀的基礎問題，制備無需外部刺激的軟體自驅動器，完成可反復程序化設置的智能動作。相關結果以 “Marine Amoebae-Inspired Salting Hydrogels to Reconfigure Anisotropy for Reprogrammable Shape Morphing”的論文發表在Angewandte Chemie (Angew. Chem. Int. Ed., 2024, e202416672；https://doi.org/10.1002/anie.202416672)。該研究得到了浙江省自然科學基金重點項目(LD22E050008)、中德合作國際交流項目(M-0424)、寧波市自然科學基金(2022J286)、寧波市國際合作項目(2023H019)、寧波市重大研究發展計劃項目(2024Z101)、寧波市科技創新2025重大項目(2022Z194)、寧波工程學院科研啟動經費(2190011540006)等的支持。
圖1. 海洋變形蟲啟發的鹽化水凝膠的各向異性重構及其可編程的形變。(a)變形蟲溶脹-去溶脹示意圖；(b)聚兩性電解質分子結構；示意圖表明水凝膠(c)在水中平衡；(d)在HCl/NaCl溶液中溶脹；(e)在水中再溶脹；然后(f)自發去溶脹過程的結構變化；(g)馬鞍形變化過程示意圖
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