北理工團(tuán)隊(duì)在自生長(zhǎng)水凝膠領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-03-24 供稿：宇航學(xué)院 攝影：宇航學(xué)院
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近期，北京理工大學(xué)張凱教授團(tuán)隊(duì)在自生長(zhǎng)水凝膠方面取得重要進(jìn)展,，相關(guān)研究成果以“ Bioinspired Self-Growing Hydrogels by Harnessing the Interfacial Polymerization” 為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Materials》,，并被選為當(dāng)期封面論文。北京理工大學(xué)宇航學(xué)院張凱教授和南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系劉吉教授為本論文共同通訊作者,，宇航學(xué)院2019級(jí)博士研究生漸南南為論文第一作者,。
自然界生物體能夠通過自發(fā)生長(zhǎng)適應(yīng)不同的外部環(huán)境，與這類完全動(dòng)態(tài)和開放的自生長(zhǎng)系統(tǒng)相比,，合成材料通常處于靜態(tài)和封閉系統(tǒng)中,。目前,，仿生合成材料可以被賦予類天然材料的智能特性（如刺激響應(yīng)、自修復(fù)等）,，廣泛應(yīng)用于傳感器,、軟體機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)工程和可穿戴電子設(shè)備等新興領(lǐng)域,。然而,，設(shè)計(jì)和制造具備可自發(fā)生長(zhǎng)特性的合成材料仍然具有一定的挑戰(zhàn)性。
針對(duì)這一問題,，受角質(zhì)蛋白自生長(zhǎng)行為的啟發(fā),，團(tuán)隊(duì)提出了液態(tài)金屬(EGaIn)和水性單體丙烯酰胺（AAm）溶液界面處的連續(xù)自由基聚合策略，賦予了人工合成聚丙烯酰胺（PAAm）水凝膠材料前所未有的自生長(zhǎng)特性（圖1 a-c）,。進(jìn)一步將自生長(zhǎng)得到的水凝膠添加到單體溶液中,，發(fā)現(xiàn)水凝膠表現(xiàn)出連續(xù)再生長(zhǎng)的特征（圖1 d-f）。
圖1. 自生長(zhǎng)水凝膠設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)方法
水凝膠的自生長(zhǎng)行為成功模擬自然爬藤現(xiàn)象（圖2 a-d）,，在軟壁攀爬機(jī)器人中顯示出巨大的前景,，在小型彎曲管道方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。此外,，受自然植物“破土而出”啟發(fā),，研究團(tuán)隊(duì)將自生長(zhǎng)“動(dòng)力”轉(zhuǎn)化為“驅(qū)動(dòng)力”，設(shè)計(jì)了自生長(zhǎng)水凝膠致動(dòng)器（圖2 e-f）,，成功將一特定容器打開,。與大部分水凝膠致動(dòng)器需要光/熱/電等外界能量觸發(fā)不同，自生長(zhǎng)水凝膠致動(dòng)器不需要輸入任何額外能量,，且功率密度顯著高于其他水凝膠致動(dòng)器,，體現(xiàn)出自發(fā)、高效,、可控的致動(dòng)功能,。
圖2. 自生長(zhǎng)水凝膠模仿自然藤本植物攀爬行為、作為致動(dòng)器
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金,、廣東省自然科學(xué)基金等經(jīng)費(fèi)支持,。
論文詳情：Nannan Jian, Rui Guo, Lei Zuo, Yibo Sun, Yu Xue, Ji Liu*, Kai Zhang*, Bioinspired Self-Growing Hydrogels by Harnessing Interfacial Polymerization. Advanced Materials, 2022: 2210609.
全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202210609
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