浙江大學吳子良《AM》:當水凝膠遇到剪紙藝術,智能材料會是什麼樣?

復合水凝膠實現智能響應的通常原理是利用凝膠中不同材料的膨脹不同,進而產生不同的形變,例如起皺、起皺、彎曲、屈曲。但是這些復合水凝膠通常有一個連續的表面,幾何連續性導致相鄰區域之間的位移相對有限,從而導致較小的變形幅度。受到剪紙藝術的啟發,人們引入切口來打破連續性以解決上述問題,即剪紙(kirigami)方法。該方法通過多步形狀記憶和外力相結合來實現不同構形之間的轉換。研究還表明,基於剪紙結構的聚對二甲苯薄膜可以均勻的包裹老鼠的心臟,從而增強柔性電子元件的傳感功能。這些結構通常是通過被動地施加機械力來實現3D結構。然而,借助外力限制瞭這些可變形結構的應用。

近日,浙江大學吳子良等人設計瞭一種具有剪紙結構的復合水凝膠,實現材料可編程的變形。研究人員通過引入一系列切口,分離復合凝膠相鄰單元的幾何連接,使響應凝膠條帶具有較高的變形自由度和較大的變形幅度。並制作瞭一個多觸點開關,展示瞭這種具有多穩態變形能力的復合水凝膠的潛在應用。實驗數據和數值模擬都表明這種變形結構的設計思想和控制策略對其它智能材料在不同領域的應用具有一定的參考價值。

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【圖文詳解】

設計思路以圖1為例進行說明,矩形框架是剛性水凝膠,以限制軟而高膨脹凝膠條在平面內膨脹;鉸鏈是軟質不膨脹凝膠,作用是將高膨脹凝膠條與剛性框架連接起來。這樣,四個高膨脹凝膠條就可以由矩形框架連接得到交叉形狀,形成一個多重穩定的組合。

在沒有預處理的情況下,四條凝膠條在膨脹後向同一方向彎曲,使總彈性能最小化(圖1b)。而通過預脹步驟控制每個高膨脹凝膠條的屈曲方向後,相同的復合水凝膠則可以實現不同的構象(圖1c,d)。因此,該方法可以產生相對較大的反射振幅,並且通過預處理,達到預期的變形效果。

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圖1 a)多步光刻聚合法制備具有剪紙結構的復合水凝膠膜。紅色、藍色和灰色分別代表柔軟高膨脹性聚(丙烯酰胺-co-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)[P(AAm-co-AMPS)]凝膠、柔軟非膨脹的聚丙烯酰胺(PAAm)凝膠和堅硬不膨脹的聚(甲基丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸)[P(MAAm-co-MAAc)]凝膠。b–d)復合水凝膠在水中膨脹後的平面外變形,無(b)和有(c,d)預膨脹步驟,以控制每個條帶的屈曲方向。比例尺:1cm。插圖顯示瞭用於特定部位預膨脹的輪廓遮罩。下一行顯示瞭相應的模擬結果。色階表示膨脹率。

復合凝膠中,合適的基本結構、軟鉸鏈和鎖定亞穩態構型能力的結合,是實現凝膠可編程多穩態結構的關鍵(如圖2所示)。

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圖2 a–f)沒有軟鉸鏈(a–c)和基本構造塊(d–f)模式對復合凝膠與剪紙結構的變形和最終構型的影響。在移除軟鉸鏈或將基本構建塊從四臂形狀改為三臂形狀後,凝膠無法維持預膨脹步驟(b,e)編程的構型,並在隨後的自由膨脹過程(c,f)中自發變形為其他構型。比例尺:1厘米

研究人員將此策略應用於柔性電子,設計瞭一個多觸點開關以控制LEDs。電路如圖3所示,兩層構件的膨脹方向決定瞭電極的開/關狀態,這導致瞭發光二極管的四種可能組合。

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圖3 a)具有多個剛性框架和編程變形的復合水凝膠片,形成明顯的多層組合。插圖顯示瞭用於特定部位預膨脹的輪廓遮罩的結構。利用復合水凝膠的多穩態結構控制LEDs的多觸點開關電路的示意圖b)和實驗結果c–f)。比例尺:1厘米

此外,對高膨脹凝膠條賦予形狀手性可以實現平臺的旋轉。如圖4所示,在水中膨脹後,彎曲的凝膠條經過平面外的膨脹和扭轉後,會導致中心方形凝膠順時針旋轉15°。這種旋轉也可以疊加在多層結構中,獲得具有局部旋轉的不同構型。

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【結論】

在水凝膠中,借助剪紙結構來實現多穩態變形的例子較為少見,研究人員提出的這種概念和策略也適用於其他智能材料,相信未來在柔性電子、生物醫學設備和軟體機器人中也將有一定的應用價值。相關內容以“Kirigami‐Design‐Enabled Hydrogel Multimorphs with Application as a Multistate Switch”為題發表在Advanced Materials.

全文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000781

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