【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】生物體能夠隨捕食、避險(xiǎn)等生命活動(dòng)需要或環(huán)境改變而靈活變化形狀。近30年來，研究人員發(fā)展出雙層、梯度、取向、宏觀組裝等策略，設(shè)計(jì)了眾多具有不對(duì)稱刺激響應(yīng)性的水凝膠，來模仿自然界生物的復(fù)雜精妙變形，理解變形機(jī)制。這些水凝膠的不同部位或方向在pH、電、光、磁場(chǎng)、溫度、濕度、流體壓力等刺激下產(chǎn)生顯著的溶脹程度或力學(xué)性質(zhì)差異，形成內(nèi)應(yīng)力，驅(qū)動(dòng)整體折疊、彎曲、扭轉(zhuǎn)、隆起、起皺。然而，這些不對(duì)稱構(gòu)筑結(jié)構(gòu)是在材料制備過程中產(chǎn)生的，被成型水凝膠的高分子網(wǎng)絡(luò)所固定。因此，其變形所能實(shí)現(xiàn)的形狀有限，難以靈活更改。如何讓已成型的均質(zhì)或各向同性水凝膠獲得可重構(gòu)的非均質(zhì)性或各向異性，進(jìn)而按照重新編輯的程序變形，是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。
 

　　針對(duì)上述問題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳濤研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與寧波工程學(xué)院高國榮副教授合作，在受海洋變形蟲靈活改變形態(tài)以適應(yīng)海水鹽度變化的啟發(fā)下(圖1a)，發(fā)展了一種將鹽溶液圖案化地滲入水凝膠以重構(gòu)其各向異性，更改其變形程序的新策略。該策略的實(shí)現(xiàn)依賴于高分子網(wǎng)絡(luò)上的靜電吸引-靜電排斥可逆變化，以及水凝膠內(nèi)外滲透壓。聚兩性電解質(zhì)水凝膠帶有相同化學(xué)計(jì)量數(shù)的COO?和N+(CH3)3基團(tuán)，存在靜電吸引(圖1b, c)。浸入HCl/NaCl溶液后，水凝膠溶脹。此處，因?yàn)镃OO?質(zhì)子化成了COOH，聚兩性電解質(zhì)變得像陽離子聚電解質(zhì)，存在N+(CH3)3/N+(CH3)3靜電排斥(圖1d)。再轉(zhuǎn)移到水中，水凝膠首先進(jìn)一步溶脹，接著又自發(fā)轉(zhuǎn)向去溶脹，最終恢復(fù)初始尺寸。此處，再溶脹是聚電解質(zhì)行為，由滲透壓驅(qū)動(dòng)(圖1e)，如同先到NaCl溶液中吐出水的聚陽離子水凝膠轉(zhuǎn)到水中的再吸水，亦如同變形蟲或海蜇從高鹽度海水過渡到淡水中的吸水溶脹；去溶脹是反聚電解質(zhì)行為，由于水凝膠內(nèi)部pH值上升和H+、Na+、Cl?往外透析，COOH去質(zhì)子化成COO?并重新與N+(CH3)3吸引配對(duì)，牽引高分子網(wǎng)絡(luò)緩慢收縮(圖1f)?；诖巳苊?再溶脹-去溶脹機(jī)制，圖案化地吸收HCl/NaCl溶液的聚兩性電解質(zhì)水凝膠因整體不對(duì)稱溶脹而變形，進(jìn)入水中后，它首先隨圖案區(qū)域再溶脹而進(jìn)一步增加變形程度，接著又隨自發(fā)去溶脹恢復(fù)各向同性和原始形狀，從而，得以按照更改過的新圖案進(jìn)行下新一輪變形循環(huán)。例如，往水凝膠圓片邊緣繪制圓環(huán)圖案(圖1g)，使其吸收HCl/NaCl溶液而翹曲成馬鞍形，轉(zhuǎn)到在水中，它進(jìn)一步翹曲，接著，自發(fā)恢復(fù)成原片。該研究不僅提出了一種實(shí)現(xiàn)水凝膠自發(fā)再溶脹-去溶脹轉(zhuǎn)變的機(jī)制，也展示了一種以鹽溶液為“墨水”，圖案化重構(gòu)水凝膠各向異性的方法，為研究軟材料的變形規(guī)律開辟了新途徑。
 

　　這項(xiàng)工作發(fā)展出了一種新穎的重構(gòu)水凝膠各向異性的方法，適用于研究軟材料如何通過溶脹從2D形狀轉(zhuǎn)變?yōu)?D形狀的基礎(chǔ)問題，制備無需外部刺激的軟體自驅(qū)動(dòng)器，完成可反復(fù)程序化設(shè)置的智能動(dòng)作。相關(guān)結(jié)果以 “Marine Amoebae-Inspired Salting Hydrogels to Reconfigure Anisotropy for Reprogrammable Shape Morphing”的論文發(fā)表在Angewandte Chemie (Angew. Chem. Int. Ed., 2024, e202416672；https://doi.org/10.1002/anie.202416672)。該研究得到了浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(LD22E050008)、中德合作國際交流項(xiàng)目(M-0424)、寧波市自然科學(xué)基金(2022J286)、寧波市國際合作項(xiàng)目(2023H019)、寧波市重大研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2024Z101)、寧波市科技創(chuàng)新2025重大項(xiàng)目(2022Z194)、寧波工程學(xué)院科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)(2190011540006)等的支持。
 

　　圖1. 海洋變形蟲啟發(fā)的鹽化水凝膠的各向異性重構(gòu)及其可編程的形變。(a)變形蟲溶脹-去溶脹示意圖；(b)聚兩性電解質(zhì)分子結(jié)構(gòu)；示意圖表明水凝膠(c)在水中平衡；(d)在HCl/NaCl溶液中溶脹；(e)在水中再溶脹；然后(f)自發(fā)去溶脹過程的結(jié)構(gòu)變化；(g)馬鞍形變化過程示意圖