来源:中科院之声

  逛超市时,货架上形状各异、琳琅满目的果冻总能够在第一时间吸引小朋友们的注意。不论是普通形状,还是花朵、小熊等等更为丰富的形状,都是果冻厂家在生产过程中利用模具固定形成的。如果能让“果冻”动起来,还能在不同的形状之间变换,肯定更能引起大家的关注。近期,科研人员就将这一想法变成了现实,而他们所用的这种能够动起来的“果冻”,被称为智能变形水凝胶。

  什么是水凝胶?水凝胶在我们日常生活中随处可见,可以是我们手上的玩具——水宝宝,也可以是我们嘴里的食物——果冻、龟苓膏、豆腐、珍珠奶茶里的珍珠,还可以是医院里给病人消炎止痛的伤口敷料等等,甚至于生物组织也可看做是水凝胶。简而言之,水凝胶就是一种含有大量水的软材料。

图1 生活中的水凝胶:水宝宝、果冻、珍珠粉圆、水凝胶伤口敷料(图片来自网络)图1 生活中的水凝胶:水宝宝、果冻、珍珠粉圆、水凝胶伤口敷料(图片来自网络)

  那什么又是智能变形?自然界中的植物都会在外界环境变化的时候做出相应的反应,比如含羞草在收到触碰时会合拢叶片,向日葵的花盘会随着光转动,生物学上称之为应激性,在材料学上则称之为刺激响应,在外界刺激下可以发生形状变化的材料被称为智能变形材料。那么如何让没有生命的水凝胶产生智能变形行为?研究人员巧妙地将一些具有刺激响应特性的分子引入到水凝胶体系中,当其受到外界环境刺激时,其分子结构会相应地发生改变,从而在宏观尺度上表现出水凝胶的体积、形状等变化。利用这一原理,科研人员再从宏观与微观的角度对水凝胶的结构进行设计,就可以得到能够响应环境变化并改变自身形状的智能变形水凝胶了。

  通常,将两种在同种刺激下体积变化不一致的水凝胶复合成双层结构时,伴随着其中一层凝胶的收缩,双层水凝胶就能自发地弯曲成圆形,但是这种水凝胶难以实现变形速度的控制、且在外界刺激下仅有一种变形模式。为此,中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料课题组陈涛研究员与张佳玮研究员基于智能变形水凝胶的设计,在双层结构中引入超分子形状记忆结构,从而产生了普通双层水凝胶没有的意外惊喜。例如,将水凝胶设计成花朵的形状,通过不同的处理方式,水凝胶能够产生不同的变形速度,将它们叠加在一起放在温水中就能够如同自然界中的花朵一样依次闭合。

  除了可以控制水凝胶变形的速度,通过水凝胶的形状记忆行为还可以实现更为复杂多变的变形行为。研究人员通过巧妙的构思使得条状的凝胶可以产生“千变万化”,通过形状记忆过程和离子局部处理,可以让凝胶看上去与原来的形状一样,也可以使凝胶变身成为拐杖、V形等临时形状。形状虽一样,但是结构早已发生了变化,在热的刺激下,看起来没有发生变化的凝胶条可以变成三角形、6、U等形状,而拐杖、V形的凝胶则变成了音符、3和爱心的形状。通过不同的处理方式,甚至可以让一个条状的凝胶逐步变成一个“弹簧”。这样的凝胶就如同西游记中的孙悟空一样拥有七十二变,变化无穷,妙趣横生。

图2 条状凝胶的“千变万化”图2 条状凝胶的“千变万化”
图3 条状凝胶变身“弹簧”图3 条状凝胶变身“弹簧”

  此外,当将中国传统的剪纸艺术与智能变形水凝胶结合起来,利用激光切割机对双层凝胶进行剪裁,再经过形状记忆将剪裁后的片状水凝胶变身为圆筒状或者拱形之后,在环境的刺激作用下(温水中),由于水凝胶各个部位的变形速度以及变形程度不一样,水凝胶片就能变身成为三维立体的灯笼形状。

图4 片状水凝胶通过两种变形模式均可变成 “灯笼”图4 片状水凝胶通过两种变形模式均可变成 “灯笼”

  研究发现,水凝胶的变形形状、速度以及程度均可通过调整其形状记忆后的临时形状以及形状记忆的时间等因素来“定制”。这种通过临时各向异性结构实现多模式变形的策略大大提高了智能变形水凝胶的可设计性,在软体机器人和智能变形器件等领域存在着巨大的潜在应用价值。


新闻来源:新浪