可重新编程的形状变形在生物中无处不在，对它们在正常情况下移动，甚至在危险条件下生存至关重要。人们对使用不对称水凝胶结构来理解和模仿生物在外部触发下以可控的方式变形的兴趣越来越大。然而，一旦聚合物水凝胶制备完成，这些不对称或非均相结构就不能被进一步修饰。因此，利用现有的水凝胶实现可重新编程的形状变形是一个巨大的挑战。受海洋变形虫根据不同的外部盐浓度转变成几种不同的形态的启发，研究人员开发了一种新的盐化水凝胶策略，以重新配置其各向异性，以实现可重新编程的形状变形。COO -和N+ (CH3)3基团相等的多两性水凝胶首先在HCl/NaCl溶液中膨胀。它们被转移到水中后，首先在渗透压的驱动下吸水再次膨胀，然后由于内部pH值的增加和离子的透析导致COOH脱质子为COO -， COO - /N+ (CH3)3静电吸引再生而自发膨胀。本研究为水凝胶软致动器的各向异性重新配置提供了一种新的策略，为可重新编程的形状变形开辟了一条途径。
图解
图1:受海洋变形虫启发的盐化水凝胶用于配置可编程形状变形的各向异性。(a)海洋变形虫肿胀和肿胀示意图。(b)多两性电解质的化学结构。下标数字表示摩尔进料比。聚两性聚合物水凝胶(c)初始在水中，(d)在HCl/NaCl溶液中膨胀至平衡，(e)转移到水中后最大程度地溶胀，(f)然后自发溶胀至平衡，H+、Na+和Cl -离子的变化及聚合物间静电相互作用示意图。(g)水凝胶变形成鞍状，然后在水中自发恢复的示意图。
图2：聚两性聚合物水凝胶的膨胀-膨胀-膨胀。(a)照片记录了水凝胶肿胀（Ⅰ-Ⅲ）、再肿胀（Ⅳ-Ⅵ）和再肿胀（ⅦⅨ）。最小栅格，1 mm × 1 mm。(b)膨胀度Q随时间变化曲线。误差条表示标准差（n = 3）。(c) FTIR光谱，(d) COO -指数和COOH指数，(e) 9种冻干水凝胶中Na和Cl相对于c、n、O、Na和Cl的原子百分率。罗马数字对应于(b)中的时间。
图3：HCl/NaCl溶液pH和IS对聚两性聚合物水凝胶膨胀-溶胀-溶胀的影响在pH (a) 2、(b) 3、(c) 4和不同的HCl/NaCl溶液下，膨胀-溶胀-溶胀过程的溶胀度Q曲线如图所示。(d)水凝胶在pH 4/IS 0.0001 M HCl溶液中膨胀（Ⅰ-Ⅲ），然后在水中膨胀（Ⅳ-Ⅵ），(e)相应的膨胀-膨胀曲线。最小的网格代表1mm × 1mm。误差条表示标准差（n = 3）。(f) (d)中水凝胶内部移动离子和静电相互作用的变化示意图。通过MD模拟得到的多两性凝胶在水中(g)、在HCl溶液中(h)和在HCl/NaCl溶液中(i)膨胀至平衡状态的截图。C，暗青色；H,白色;啊,橙色;N,蔚蓝;Na、蓝色;Cl,黄金。对于clear，省略了水分子。
图4：各向同性多两性水凝胶中各向异性的重构。(a)涂装方案。(b)条在水中卷曲-解卷的照片。(c) 5个涂漆-卷边-解边循环中θ随时间的变化。罗马数字对应(c)中的时间，Ⅷ的时间为3880秒。(d)油墨pH分别为3和4，(e)油墨IS分别为0.03 M和0.06 M, (f)喷涂时间分别为1 min和4 min时，θ随时间的变化而变化。同一水凝胶条上的图案图及其变形成(g)一弯，(h)两弯，(i)三弯，(j)字母U， (k)耳廓，(l) 8字形的照片。比例尺，10毫米。
图5：可编程的形状变形。水凝胶圆盘上的图案示意图及其在水中变形成(a)雨伞、(b)软帽、(c)渔夫帽、(d)球面、(e)鞍座和(f)自行车鞍座的相应照片。t,厚度。底部照片中的形状清楚地显示了顶部照片中水凝胶在自由状态下的边缘。(d)图中的红色消退表示涂装时间的减少。(g)花形水凝胶片上的图案示意图及其随时间变化的照片。(h)水凝胶前后表面图案的两张图，以及水凝胶在水中变成马蹄莲的照片，前三张照片是俯视图，后一张是正面视图。比例尺，10毫米
图6：可重新编程的形状变形。照片显示，1:1的水凝胶在水中变成了(a)管和(b)波管，1.6:1的水凝胶变成了(c)管和(d)波管，3:1的水凝胶变成了(e)管和(f)波管，矩形水凝胶变成了(g)左手螺旋和(h)右手螺旋。每张照片上面的图表显示了绘制的图案。插图(e)显示分层卷曲。比例尺，10毫米。
结论
总之，这项工作展示了一种独特的策略，通过在选定的区域盐化水凝胶来引入不对称和各向异性的膨胀结构，从而对形状变形进行编程和重编程。具有相同化学计量量的COO -和N+ (CH3)3基团的多两性聚合物水凝胶由于H+、Na+和Cl -离子的吸收而膨胀，导致COO -质子化为COOH。然后在水中，它们首先通过渗透吸水和移动离子喷出而溶胀，然后通过COOH缓慢去质子化成COO -并与N+ (CH3)3重吸引而自发溶胀。用HCl/NaCl溶液在水凝胶上绘制图案，使其从均相变为非均相。在吸收溶液中先发生异相变形，然后增加变形程度，再在水中通过溶胀-溶胀恢复原来的形状和各向同性。通过设计图案，水凝胶片变成了球形帽、鞍和花朵。用可编程变形技术从相同的平面水凝胶中制备出具有改变旋度方向和改变手性的螺旋管。它有望成为一个强大的材料系统，用于研究软材料如何通过膨胀从2D形状转变为3D形状的基本过程，并制造具有可重新编程轨迹的水中自致动器，提供无需人工操作的智能致动器。
注：仅代表小编个人观点，如有侵权请联系小编删除或修改！
扫二维码 关注我们
原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202416672
