蘭州化物所與美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校合作制備出強(qiáng)收縮高能量密度水凝膠材料

環(huán)境響應(yīng)型水凝膠，也稱(chēng)為“刺激響應(yīng)”或者“智能”水凝膠，因?yàn)槠涓叩暮?、彈性、滲透性、外界刺激響應(yīng)性和大的變形等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域。目前，大多數(shù)智能水凝膠的響應(yīng)變形均憑借凝膠體內(nèi)和體外滲透壓的變化。然而，在這種滲透驅(qū)動(dòng)機(jī)制下，凝膠材料的驅(qū)動(dòng)力和響應(yīng)速度間相互矛盾。要打破這個(gè)矛盾，需要從分子尺度設(shè)計(jì)并且提出一種異于傳統(tǒng)“滲透型”水凝膠的非常規(guī)驅(qū)動(dòng)機(jī)制。近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所周峰研究員團(tuán)隊(duì)和美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校賀曦敏教授團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)仿生青蛙跳躍過(guò)程中肌肉的加速機(jī)制，提出了一種非常規(guī)驅(qū)動(dòng)模式(彈性驅(qū)動(dòng))，打破了傳統(tǒng)滲透型水凝膠驅(qū)動(dòng)機(jī)制力和速度之間的矛盾，成功制備了一種強(qiáng)收縮高能量密度的水凝膠材料。與滲透驅(qū)動(dòng)型水凝膠相比，彈性驅(qū)動(dòng)型水凝膠具有側(cè)鏈觸發(fā)主鏈，主鏈自主收縮、彈性回彈，形變與網(wǎng)絡(luò)中水分子的傳輸無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，其收縮強(qiáng)度和能量密度分別高于滲透型水凝膠10倍和1 000倍。

該研究成功解決了傳統(tǒng)滲透型水凝膠長(zhǎng)期存在的“速度和驅(qū)動(dòng)力”之間的矛盾，打破了傳統(tǒng)滲透型水凝膠材料的能量密度極限，甚至與生物肌肉(15 kJ/m3Vs.8 kJ/m3)相當(dāng)；新驅(qū)動(dòng)機(jī)制將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，減少了中間步驟熱量產(chǎn)生和耗散，因而具有高的能量轉(zhuǎn)化效率(49%)；保持高響應(yīng)速度的同時(shí)能夠產(chǎn)生大的收縮力；可以重復(fù)多次編輯，編輯方式多樣，實(shí)現(xiàn)了可控的多穩(wěn)態(tài)變形(各向異性或各向同性的變形)。

該工作為設(shè)計(jì)和制備強(qiáng)收縮、高能量密度、多形變模式的水凝膠材料提供了新策略。