浙江大学郑强、吴子良团队Adv. Sci.：图案化电场辅助的复杂取向结构构筑及水凝胶可控变形

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生物组织普遍存在有序的取向结构，赋予了生物体变形及运动功能。仿生制备含有各向异性结构的软驱动器及软体机器人具有重要科学意义和应用价值。水凝胶材料具有生物组织类似的特征以及多种刺激响应性，是构筑具有可控变形能力的软驱动器的理想材料。目前，光刻、3D打印等方法可以在水凝胶中构筑含有厚度梯度、平面梯度结构，实现了折叠、弯曲、扭转等变形。在外界刺激下，响应性差异引起的内部应力导致材料发生变形。但是，这些材料通常缺少各向异性结构。尽管通过磁场、剪切等手段可制备含有单一取向结构的水凝胶，构筑复杂取向结构仍然需通过多步取向、聚合完成，过程比较繁琐，并且多步聚合产生的界面处易发生破坏。如何通过简单方法构筑仿生复杂取向结构成为变形材料方向的难题。近日，浙江大学郑强、吴子良团队通过采用图案化电极控制外加电场分布，从而诱导纳米片取向，一步制备了含有平面、厚度梯度结构的各向异性水凝胶，并实现了可控变形与运动。

通过电极图案的设计以及电极位置的调控，在前驱溶液中形成可控的分布式电场，纳米片沿着电场方向取向，聚合之后即得到含有复杂取向结构的纳米复合水凝胶。在外界刺激下，各向异性结构导致水凝胶发生可控变形并形成不同的三维构型。

通过引入纳米金球赋予了水凝胶光响应性，在动态光照射下，该水凝胶发生扭转变形。在较低光强下，局部扭转产生的摩擦力导致整体凝胶发生逆时针旋转。在更高光强下，凝胶局部扭转更加剧烈，整体发生翻转。研究表明，凝胶扭转变形幅度和重心变化发挥了重要作用。因此，激光强度和凝胶长度也会影响旋转和翻转运动。

该研究表明，通过控制电场分布诱导纳米片取向，可在水凝胶中形成不同梯度的复杂取向结构，在动态刺激下实现可控变形和运动。这种复杂电场适用于其他荷电粒子，从而控制纳米粒子取向、组装或电泳，所制备的含有功能结构的材料有望应用于光学器件、柔性电子、软机器人等领域。相关成果以“Patterned Electrode Assisted One-Step Fabrication of Biomimetic Morphing Hydrogels with Sophisticated Anisotropic Structures”为题发表于Advanced Science。博士生朱清丽为论文的第一作者，浙江大学吴子良研究员、拜罗伊特大学Josef Breu教授为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金的资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202102353

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