浙大郑强、吴子良/南科大洪伟《Sci. Adv.》：电场驱动水凝胶可逆跳转变形

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受到外界刺激时，捕蝇草的叶片通过快速跳转(snapping)变形实现猎物的捕获。通过双稳态结构实现跳转变形，对于软驱动器、软机器人的发展具有重要的科学意义。近日，浙江大学郑强、吴子良团队与南方科技大学洪伟团队合作，通过电场驱动实现了聚电解质水凝胶的可逆跳转变形。高度溶胀的聚电解质水凝胶受限于低溶胀的中性水凝胶，通过面外屈曲变形形成具有双稳态特征的穹顶构型。由于聚电解质水凝胶具有电场响应性，当穹顶形凝胶置于盐溶液并施加电场时，离子迁移导致凝胶厚度方向形成溶胀梯度，反向弯曲受到几何结构的阻碍，因而弹性能逐渐累积直到越过能垒，凝胶发生快速跳转变形。相关工作以 “Spontaneous and rapid electro-actuated snapping of constrained polyelectrolyte hydrogels”为题发表于《Science Advances》。

通过多步光聚合制备了具有平面梯度结构的复合水凝胶（图1）。中间的聚电解质水凝胶具有较高的溶胀能力，但是受到周围低溶胀水凝胶的限制。因此，聚电解质凝胶在纯水或低浓度盐水中溶胀并发生面外屈曲变形，形成具有双稳态特征的穹顶构型。向上或者向下屈曲的穹顶构型具有相同的弹性能，在外力作用下可以越过能垒，通过快速跳转变形实现构型的切换。将该凝胶置于Na₂SO₄溶液中并施加电场，凝胶在电场作用下发生可逆的跳转变形。

图1. 电场驱动的穹顶形聚电解质水凝胶发生跳转变形。

研究表明，该凝胶的跳转时间受电场强度、聚电解质凝胶荷电密度、Na₂SO₄溶液浓度的影响。随着电场强度的上升和凝胶荷电密度的下降，跳转时间逐渐减小。而随着盐水浓度的上升，跳转时间呈现先下降后上升的趋势。受限的聚电解质水凝胶的跳转变形与电场驱动自由水凝胶弯曲变形密切相关；在电场作用下，聚阴离子水凝胶靠近正极的一侧发生溶胀，凝胶逐渐向负极方向发生弯曲变形（图2）。

图2. 电场驱动聚电解质水凝胶条的弯曲变形

通过模拟自由离子在电场作用下的迁移行为，并将离子浓度分布与凝胶溶胀、收缩行为相耦合，揭示了电场驱动水凝胶跳转变形的机制（图3）。在电场作用下，阳离子向负极移动，导致聚阴离子水凝胶靠近正极一侧发生溶胀，凝胶向负极弯曲但受到几何结构的限制。凝胶内部的能量逐渐累积直到越过能垒，凝胶发生快速跳转变形，在0.1 s内完成构型转换并到达另一稳定状态，该速度接近捕蝇草。图3. 模拟电场驱动的聚电解质水凝胶弯曲和跳转变形机制。利用电场驱动可逆跳转变形，设计了水凝胶光控开关和仿生“捕手”(图4)。通过猎物位置识别、电场自动开启、自发驱动跳转等步骤实现了智能“抓捕”功能。此外，通过光控负反馈机制实现了电场方向的自动切换，进而以具有跳转能力的凝胶作为驱动单元，构筑了具有液体输运功能的“脉冲泵”。图4. 基于电场驱动跳转变形的水凝胶器件。(A, B) 光控开关。(C, D) 仿生“捕手”。(E-F) “脉冲泵”。相关工作发表于Science Advances，论文第一作者为浙江大学高分子系博士生李琛煜，通讯作者为浙江大学吴子良、南方科技大学洪伟。

文章信息：

Chen Yu Li, Si Yu Zheng, Xing Peng Hao, Wei Hong, Qiang Zheng, Zi Liang Wu, Spontaneous and rapid electro-actuated snapping of constrained polyelectrolyte hydrogels, Science Advances 2022, 8, eabm9608.

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm9608

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