南科大软体力学实验室： 弹性体—水凝胶复合结构的仿生设计策略

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近年来，弹性体—水凝胶复合结构被广泛应用于离子导电体、柔性电子和软体机器人等领域。弹性体通常由疏水的高分子组成，水凝胶由亲水的高分子和大量的水组成；两种材料之间迥异的化学性质导致界面粘接强度很低，使弹性体—水凝胶复合结构的制备成为一个挑战。近年来国内外研究团队针对弹性体与水凝胶之间的粘接问题展开了广泛而深入的研究，将两者之间的粘接强度提高到1000 J/m²量级。要实现两种材料之间的高强度粘接，采用模具是常用的做法。一方面，模具可隔绝氧气；另一方面，模具可保持前驱液的形状并控制尺寸。但是模具的使用很大程度上限制了弹性体—水凝胶复合结构的复杂构型设计。因此，提出一种新的设计策略实现弹性体—水凝胶复合结构的复杂构型设计、强粘接、可拉伸性和透明性具有广泛的应用价值。

鉴于上述情况，研究人员受到甲壳虫背部亲水岛的启发，提出了一种制备具有可调控曲面轮廓的弹性体-水凝胶复合结构的设计策略。通过在一个疏水的弹性体表面上制备出亲水岛，并在亲水岛上滴加液滴，研究亲水岛直径大小和液体体积对液滴轮廓的影响。以水为例，通过构建液滴轮廓的参数空间，将设计准则应用于水凝胶的前驱液，高保真度地将其固化成水凝胶，并基于硅烷偶联剂在水凝胶与弹性体之间实现高强度粘接。研究人员展示了两个具有可调控曲面轮廓的弹性体-水凝胶复合结构的潜在应用：一种可以在不同压力下选择性地响应发光的离子电子-电致发光器件；另一种焦距可调的可拉伸柔性光学透镜。该仿生设计策略为制备新型弹性体-水凝胶复合结构提供了新的解决思路。

图1 弹性体—水凝胶复合结构的仿生设计原理 A) 甲壳虫背部亲水岛示意图，B) 具有可调控曲面轮廓的弹性体-水凝胶复合结构制备过程

研究人员首先展示了弹性体—水凝胶复合结构的仿生设计原理，并阐述了复合结构的制备方法和流程。将硅烷偶联剂添加到水凝胶前驱体溶液，原位聚合，实现了两种材料之间的高强度粘接。

图2 液滴在疏水表面的可调控行为

针对液滴在PDMS疏水表面的浸润行为，研究人员测量了亲水岛形貌（包括高度、曲率、接触角）随液滴体积的变化。确实，将液滴滴在某一特定直径的亲水岛上，液滴可铺展至整个亲水岛区域；增大液滴的体积，亲水岛区域的直径不变，而高度和接触角逐渐增大。当液滴体积继续增大并超过某一临界值，水滴会超过亲水/疏水边界从而转变成疏水状态，如图2所示。这种液滴形貌的可调控性可普遍应用于液体的可操控设计。

图3 水凝胶的高保真度合成及高强度粘接测试

随后，研究人员对水凝胶亲水岛轮廓的高保真度合成及弹性体—水凝胶复合结构高强度粘接进行了表征，如图3所示。可以看出，在多种液滴体积的情况下，水凝胶前驱体溶液与聚合后相比，亲水岛区域的形貌（高度、接触角）几乎一致，展现出极高的保真度。采用90度剥离的方法测试了水凝胶与弹性体之间的粘接强度约为90 J/m²，与水凝胶本身的断裂能相当。此外，将弹性体拉伸至1.83倍，两种材料之间未发生脱粘，展现出高强度粘接行为。

图4 离子发光器件及可调透镜

最后，研究人员展示了弹性体-水凝胶复合结构的潜在应用，包括在压力作用下选择性发光的离子电子-电致发光器件和一种焦距可调的可拉伸柔性光学透镜，如图4所示。弹性体—水凝胶复合结构的仿生设计策略为复杂结构的设计和制造提供了一种新的方法。

更多详细信息，以及关于亲水岛形貌理论分析、离子电子-电致发光器件的电路分析等请参考原文及支撑材料。

这一研究工作最近发表在ACS Applied Electronic Materials上。论文第一作者是南方科技大学力学与航空航天工程系博士研究生张平，通讯作者是南方科技大学力学与航空航天工程系杨灿辉助理教授。

论文信息与链接

Ping Zhang, Qi Li, Yihang Xiao, and Canhui Yang*, Biomimetic Hydrophilic Islands for Integrating Elastomers and Hydrogels of Regulable Curved Profiles configurations, ACS Applied Electronic Materials, 2020.

DOI: 10.1021/acsaelm.0c00830

https://dx.doi.org/10.1021/acsaelm.0c00830

杨灿辉助理教授与洪伟教授合作，目前已基本搭建起南方科技大学软体力学实验室；实验室长期招收推免直博生，硕、博士研究生和博士后等；研究方向包括软材料力学，水凝胶器件，新型软材料设计与加工，3D打印等。欢迎对相关研究方向感兴趣的同学/博士/学者邮件联系：[e-mail]。请在邮件中做必要的自我介绍。

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