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  近日，來(lái)自中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所的張佳瑋研究員和陳濤研究員等人在近期的Adv. Funct. Mater.期刊上發(fā)表了一篇題為“Bioinspired Anisotropic Hydrogel Actuators with On–Off Switchable and Color-Tunable Fluorescence Behaviors”的文章。文章中介紹了一種新型聚合物水凝膠驅(qū)動(dòng)器的制備方法。研究人員通過(guò)宏觀超分子組裝將處于收縮狀態(tài)的熱響應(yīng)石墨烯氧化物-聚（N-異丙基丙烯酰胺）（GO-PNIPAM）水凝膠層與pH敏感的苝二酰亞胺官能化超支化聚乙烯亞胺（PBI-HPEI）水凝膠層組合，從而得到雙層水凝膠；而通過(guò)這種雙層水凝膠，研究人員最終得到了三維水凝膠驅(qū)動(dòng)器。這種水凝膠驅(qū)動(dòng)器可以經(jīng)歷由PNIPAM外層引起的復(fù)雜的形狀變形；并且在綠光的照射下，觸發(fā)水凝膠驅(qū)動(dòng)器內(nèi)層的熒光響應(yīng)。研究人員的這項(xiàng)工作將極大地促進(jìn)新型仿生智能材料的設(shè)計(jì)和制造。

圖1 具有協(xié)同變形和變色功能的宏觀各向異性復(fù)合聚合物水凝膠

a）聚合物水凝膠（MA-SPH）的熒光顏色變化和三維復(fù)雜形狀變化；

b）基于主客體相互作用的GO-PNIPAM水凝膠和PBI-HPEI水凝膠之間的粘合性原理。

圖2 PBI-HPEI水凝膠的相關(guān)圖示

a）PBI-HPEI水凝膠的pH響應(yīng)熒光變色原理；

b）PBI-HPEI水凝膠的pH依賴性熒光光譜；

c）在40℃并且溶液pH在2-10之間變化的條件下，PBI-HPEI水凝膠的循環(huán)可逆熒光行為。

圖3 水凝膠片層的整合及驅(qū)動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型

通過(guò)基于宏觀自組裝的超分子膠水將兩種不同的水凝膠片材整合成雙層水凝膠的過(guò)程。

圖4 驅(qū)動(dòng)器1的形變和顏色變化

a）當(dāng)溫度從20℃變化到40℃時(shí)的熱響應(yīng)彎曲；

b）熱響應(yīng)彎曲和形狀依賴的顏色變化；

c）形變后pH響應(yīng)的熒光顏色變化。

圖5 驅(qū)動(dòng)器2的熱響應(yīng)復(fù)雜變形和pH響應(yīng)熒光變色圖示

a）“仿生章魚”在外界環(huán)境刺激下的形變-色變協(xié)同過(guò)程（a1-a5是俯視圖，a6-a10是側(cè)視圖）；

b）“仿生章魚”的可逆復(fù)原過(guò)程（b1-b5是側(cè)視圖）；

  研究人員通過(guò)宏觀超分子組裝將收縮狀態(tài)的熱響應(yīng)氧化石墨烯-聚（N-異丙基丙烯酰胺）（GO-PNIPAM）水凝膠層與pH敏感的苝二酰亞胺官能化超支化聚乙烯亞胺（PBI-HPEI）水凝膠層組合，從而得到雙層水凝膠；而通過(guò)這種雙層水凝膠，研究人員最終得到了三維水凝膠驅(qū)動(dòng)器。該研究首次實(shí)現(xiàn)了智能水凝膠材料的復(fù)雜驅(qū)動(dòng)和變色雙功能的協(xié)同，在軟體微型機(jī)器人、智能開關(guān)等智能仿生領(lǐng)域擁有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，研究人員的這項(xiàng)工作將極大地促進(jìn)新型仿生智能材料的設(shè)計(jì)和制造。

  論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201704568/full