水凝胶组装体的仿生可逆突变

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智能受激形变材料可在诸如温度、pH、光照等环境条件变化时主动地发生形状变化，是许多高附加值器件的核心部件，在航空航天、生物医学、智能制造等领域已显示出诱人的应用前景。在这些器件应用中，材料形变行为的多样性与可控性至关重要。然而，由于受激形变过程中传质传热等推动力逐渐变小，材料的形变往往是由快到慢的连续渐变过程。

图1. 基于机械失稳的捕蝇草非连续突变捕蝇过程（Forterre Y, et al., Nature, 2005, 433, 421）

另一方面，自然界显示出了一些与之不同的奇妙现象。例如捕蝇草捕食昆虫的过程，就是由慢变快的非连续突变过程（图1）。其原理是捕蝇草叶片可发生机械失稳的翘曲结构。受到这种结构的启发，浙江大学化学工程与生物工程学院谢涛教授、赵骞副教授课题组与力学系李铁风副教授合作，以环境敏感水凝胶为例，开发了一种可实现可逆非连续突变的智能材料结构。在前期基于超分子粘结的水凝胶模块组装（Advanced Materials, 2014, 26, 5565）的工作基础上，研究者将预拉伸后的环境敏感水凝胶模块进行组装，构筑了具有弹性能垒的双稳态水凝胶结构。环境条件变化时，水凝胶组装体在翻越弹性能垒的过程中，发生缓慢的形变；一旦越过能垒，组装体就将发生快速变形，从而实现非连续突变。更重要的是，在不同刺激条件下，组装体的突变可以被不断可逆地触发，比捕蝇草的非可逆突变更进了一步（图2与图3）。该研究在近期的Materials Horizons（DOI: 10.1039/C6MH00167J）上发表，被选为当期的内底封面，并被Chemistry World与Scientific American等媒体报道。

图2. 凹凸盘结构水凝胶组装体的可逆突变

图3. 曲臂结构水凝胶组装体的可逆突变

该研究将大大拓展水凝胶的变形方式。类似的机理还有望推广到形状记忆聚合物与液晶弹性体等其他受激形变高分子体系中。

感谢浙江大学化工系谢涛教授与赵骞副教授的智能高分子材料课题组供稿。

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