论文部分内容阅读
水凝胶驱动器在软物质智能机器人技术与器件领域具有极大的发展前景.但传统的水凝胶机械性能差,响应性难以调控,大大地制约了其在软物质智能器件等领域的应用.近年来,人们发展了多种多样的方法,合成高性能水凝胶.例如,在水凝胶中引入可逆牺牲单元或微纳米颗粒,可以显著提高水凝胶的强度和韧性.另外,基于响应型水凝胶的智能器件的构建,通常涉及较复杂的制备过程,如何利用水凝胶材料之间特异性的(非共价)相互作用,实现智能水凝胶的宏观组装,从而构建水凝胶器件,是当前本领域的热门课题.
本研究介绍了基于界面静电吸引或界面主客体识别的构筑方法，将具有不同性质的水凝胶组装成双层器件，利用各层对pH、离子强度、溶剂等因素的响应性能的差异，实现了对水凝胶器件的可逆驱动。以纳米黏土为物理交联点，采用焦磷酸钠，成功地避免了纳米粘土在离子型单体溶液中发生聚集沉淀的问题，分别合成了带正、负电荷的两种水凝胶，不仅具有优异的物理机械性能，而且，在静电吸引作用下，这两种凝胶相遇即形成稳定的界面，具有较好的界面强度。基于此，成功地构筑了阴—阳离子型水凝胶双层组装结构。当环境溶液的离子强度改变时，驱动器发生可逆弯曲。
另一方面，在水凝胶中同时引入主/客体单元和正/负电荷单元，合成了主体—阴离子凝胶和客体—阳离子凝胶。在主客体识别和静电作用协同作用下，这两类凝胶在水溶液中或空气中可快速组装，形成具有牢固界面结合的双层水凝胶器件。利用每一层凝胶对溶剂(水或乙醇)溶胀/收缩响应程度的不同，实现了对驱动器的可逆驱动。另外，这些带电荷的水凝胶在电场下可发生可控的驱动，而主客体单元使得这些水凝胶能在水下快速发生而且牢固的界面结合，有望在水下粘结和运输方面具有潜在应用。