浙大吴子良副教授与爱荷华州大学洪伟副教授：水凝胶协同变形的研究进展

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自变形（self-shaping）材料的研究对医疗器械、软机器人等领域具有重要意义。之前的研究表明，通过在水凝胶中构筑厚度或平面方向的梯度结构，可以控制水凝胶在溶胀过程中产生的应力分布，从而实现可控变形。这些研究集中在弯曲、折叠、螺旋、褶皱等简单模式的变形，如何实现更加复杂、可控的变形模式是该领域的基本问题之一。

浙江大学高分子系功能材料与流变学课题组研究发现，周期性图案化水凝胶会发生协同变形，自发形成交替的凹凸结构（图1）。通过光模板法，不溶胀的圆形聚丙烯酰胺水凝胶以正方形阵列位于高溶胀的聚(丙烯酰胺-co-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)凝胶中。在溶胀过程中，高溶胀率的水凝胶会向上凸起或向下凹陷，从而降低整个凝胶的弹性能，相临区域的水凝胶向相反的方向屈曲，呈现变形协同性从而形成交替的凹凸结构。

图1：周期性软化水凝胶制备及其协同变形

为了探索协同变形机理，图案化水凝胶中的不溶胀区域排列成六边形阵列结构，其协同变形存在两种不同的模式，分别以三角形或者菱形为协同变形的基本单元（图2）。实验和模拟结果显示，协同变形模式的选择取决于图案的结构参数以及水凝胶的性质。

图2：六边形阵列图案化水凝胶的协同变形：菱形模式与三角形模式

该研究发现的局部变形呈现协同性，其机理可适用于其它智能材料。论文发表于Science Advances（2017,3, e1700348），论文第一作者为硕士生王志健，吴子良副教授与爱荷华州大学洪伟副教授为共同通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金和“青年千人计划”的资助。

文章链接：

http://advances.sciencemag.org/content/3/9/e1700348

Zhi Jian Wang, Chao Nan Zhu, Wei Hong*, Zi Liang Wu*, Qiang Zheng, Cooperative deformations of periodically patterned hydrogels, Science Advances, 2017, 3, e1700348

来源：浙大高分子系

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