搜索:  
中科院宁波材料所张佳玮研究员与陈涛研究员团队:抗冻可拉伸有机水凝胶软驱动器
2020-01-11  来源:Research科学研究
关键词:水凝胶 软驱动器

  中国科学院宁波材料技术与工程研究所张佳玮研究员与陈涛研究员通过将具有抗冻能力的甘油引入水凝胶中,制备了能够在零度以下环境中使用的水凝胶驱动器,相关成果以“Anti-freezing and Stretchable Organohydrogels as Soft Actuators”为题发表在Research上。(Research, 2019 DOI: 10.34133/2019/2384347)。

研究背景

  作为一类重要的智能材料,高分子水凝胶驱动器能够对各种外部刺激产生响应并发生可逆形变,在仿生驱动器和软体机器人等新兴领域具有广阔的应用前景高含水量赋予了水凝胶驱动器软湿性能的同时,也限制了它的应用场景:在较低的温度下,水凝胶会结冰,失去变形能力。

  低温对生命体而言也是一种挑战,原因与水凝胶类似——如果体液结冰的话,生命体也难以存活。但自然界也存在着一些耐寒的动物如林蛙,即使在零下二三十摄氏度的恶劣环境中,它们依然可以进行生命活动。这是由于随着温度的降低,它们相应地产生低温保护剂,有效阻止细胞内的水结冰。

被冰冻的林蛙(图片来源:dogonews)

研究进展

  研究人员将制备好的水凝胶置于甘油或甘油与水的混合溶液中,通过溶剂置换的方式将水凝胶中的水置换为甘油或甘油与水的混合溶液。由于甘油和水分子之间能够形成较强的氢键,甘油的引入不仅能够降低凝胶的凝固点,还赋予了凝胶较强的机械性能

图1 基于溶剂置换提升凝胶的抗冻能力与机械性能

  研究人员将碘化钾(KI)引入聚丙烯酰胺(PAAm)油凝胶中,开发出了适用于多种温度的凝胶传感器。凝胶在-30℃到60℃的宽温度范围内表现出了稳定的导电性能。并且凝胶的电阻还会随着应变的改变而变化,因此可以作为应变传感器使用,在低温下检测人体的应变行为。

图2 油凝胶的导电性能及作为应变传感器

  进而以聚丙烯酸(PAAc)为主动层,聚丙烯酰胺(PAAm)为被动层,甘油与水的混合溶液为溶剂,制备了pH响应性的双层凝胶驱动器。在零度以下环境中,普通的PAAc/PAAm水凝胶驱动器会结冰,不能对环境pH变化做出响应;所构筑的油水凝胶驱动器则可以感知环境pH变化,从而发生可逆形变。通过结构设计,研究人员构筑了可在低温环境中运行的载重机器人、智能阀门以及仿生抓手

图3 油水凝胶驱动器的构筑与驱动机理

图4 油水凝胶驱动器的应用展示

未来展望

  基于引入甘油来降低水凝胶冰点,不但可以构建低温条件下使用的凝胶传感器,还可以构建低温条件下使用的凝胶驱动器。因此,这种引入抗冻剂的方法具有通用性,为拓展水凝胶软体机器人在恶劣环境下的应用提供新的思路

  论文链接:https://doi.org/10.34133/2019/2384347

版权与免责声明:本网页的内容由欢乐时时彩收集互联网上发布的信息整理获得。目的在于传递信息及分享,并不意味着赞同其观点或证实其真实性,也不构成其他建议。仅提供交流平台,不为其版权负责。如涉及侵权,请联系我们及时修改或删除。邮箱:info@www.stageastar.com。未经本网同意不得全文转载、摘编或利用其它方式使用上述作品。
(责任编辑:xu)
】【打印】【关闭

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯
更多>>科教新闻