中科院宁波材料所张佳玮研究员和陈涛研究员：具有3D复杂驱动-智能变色双功能协同的新型智能仿生水凝胶

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近日，来自中科院宁波材料技术与工程研究所的张佳玮研究员和陈涛研究员等人在近期的Adv. Funct. Mater.期刊上发表了一篇题为“Bioinspired Anisotropic Hydrogel Actuators with On–Off Switchable and Color-Tunable Fluorescence Behaviors”的文章。文章中介绍了一种新型聚合物水凝胶驱动器的制备方法。研究人员通过宏观超分子组装将处于收缩状态的热响应石墨烯氧化物-聚（N-异丙基丙烯酰胺）（GO-PNIPAM）水凝胶层与pH敏感的苝二酰亚胺官能化超支化聚乙烯亚胺（PBI-HPEI）水凝胶层组合，从而得到双层水凝胶；而通过这种双层水凝胶，研究人员最终得到了三维水凝胶驱动器。这种水凝胶驱动器可以经历由PNIPAM外层引起的复杂的形状变形；并且在绿光的照射下，触发水凝胶驱动器内层的荧光响应。研究人员的这项工作将极大地促进新型仿生智能材料的设计和制造。

图1 具有协同变形和变色功能的宏观各向异性复合聚合物水凝胶

a）聚合物水凝胶（MA-SPH）的荧光颜色变化和三维复杂形状变化；

b）基于主客体相互作用的GO-PNIPAM水凝胶和PBI-HPEI水凝胶之间的粘合性原理。

图2 PBI-HPEI水凝胶的相关图示

a）PBI-HPEI水凝胶的pH响应荧光变色原理；

b）PBI-HPEI水凝胶的pH依赖性荧光光谱；

c）在40℃并且溶液pH在2-10之间变化的条件下，PBI-HPEI水凝胶的循环可逆荧光行为。

图3 水凝胶片层的整合及驱动器的数学模型

通过基于宏观自组装的超分子胶水将两种不同的水凝胶片材整合成双层水凝胶的过程。

图4 驱动器1的形变和颜色变化

a）当温度从20℃变化到40℃时的热响应弯曲；

b）热响应弯曲和形状依赖的颜色变化；

c）形变后pH响应的荧光颜色变化。

图5 驱动器2的热响应复杂变形和pH响应荧光变色图示

a）“仿生章鱼”在外界环境刺激下的形变-色变协同过程（a1-a5是俯视图，a6-a10是侧视图）；

b）“仿生章鱼”的可逆复原过程（b1-b5是侧视图）；

研究人员通过宏观超分子组装将收缩状态的热响应氧化石墨烯-聚（N-异丙基丙烯酰胺）（GO-PNIPAM）水凝胶层与pH敏感的苝二酰亚胺官能化超支化聚乙烯亚胺（PBI-HPEI）水凝胶层组合，从而得到双层水凝胶；而通过这种双层水凝胶，研究人员最终得到了三维水凝胶驱动器。该研究首次实现了智能水凝胶材料的复杂驱动和变色双功能的协同，在软体微型机器人、智能开关等智能仿生领域拥有巨大的潜在应用价值，研究人员的这项工作将极大地促进新型仿生智能材料的设计和制造。

论文链接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201704568/full

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