多步光刻法构筑含有复杂梯度结构的水凝胶及其可控三维变形研究

Many natural bio-tissues master versatile, sophisticated three-dimensional (3D) deformations to capture insects or release seeds, etc. These natural systems offer excellent paradigms for developing adaptable materials that self-shape in response to external stimuli. Therefore, constructing artificial composite systems based on intelligent materials such as hydrogels to mimic the natural controllable 3D deformations has scientific significance and practical interest, such as developing soft actuators, sensors, adaptive valves, etc. To achieve this target, the crucial point is how to break the uniform structure of the materials and therefore effectively control the distribution of internal stresses. In this project, we propose to synthesize hydrogels with localized bilayer structure in the thickness direction and gradient structures within the two-dimensional plane, toward realizing controllable folding and bending deformations under external stimuli to form complex, functional 3D configurations. We will use photo-mask to direct the occurrence of photo-polymerization at localized regions and adjust the spacing between the two glass substrates of the reaction cell to construct gradient structures in multiple directions. The different units of hydrogels could be integrated by the formation of interpenetrating network structure at specific regions. Furthermore, we will use light-responsive hydrogel to construct systems with controllable 3D deformations. Step-by-step deformation could be realized by localized irradiation, and long-distance and precise controlled light-driven soft actuators will be developed.

自然界生物组织能够实现并灵活运用丰富的三维变形达到捕食昆虫、释放种子等目的，为我们研究自适应性材料，实现可控变形，开发软机器人提供了很好的范例。以高分子水凝胶等智能材料构筑复合体系，实现自然界类似的可控三维变形具有重要的科学意义和应用价值，比如开发软驱动执行器、传感器、自适应性控制阀门等。其关键难题在于如何打破材料的均一结构并有效控制其内部应力的分布。本项目拟采用多步光刻技术在水凝胶内部同时构筑厚度方向的双层结构和二维平面内的梯度结构，实现外界刺激下的可控的折叠、弯曲变形，形成复杂、功能性三维结构。利用光模板引导局部的光聚合反应，以及调节反应模具的基板间距同时构筑多个方向的梯度结构；不同的凝胶单元通过多步聚合形成的局部互穿网络连接成整体。其次，本项目还将以光响应水凝胶构筑可控三维变形体系，通过局部照射实现逐步变形，开发可以远程、精确控制的光驱动软执行器件。

智能变形在自然界中广泛存在，通过智能材料实现可控变形在医疗器械、软机器人等领域有广阔的应用前景，成为材料领域的研究热点之一。其关键在于如何控制材料组成以及内部应力的分布，研究新的变形模式和机理。本项目针对以上问题，通过光刻的方法制备了组成、应力分布可控的图案化水凝胶，发现周期性图案化水凝胶局部变形呈现协同效应。复合凝胶中不溶胀的水凝胶周期性分布于高溶胀能力的水凝胶中，局部高溶胀区域发生面外屈曲变形，而相邻区域弯曲方向相反，从而降低凝胶整体的弹性能。因此，图案化水凝胶形成周期性交替起伏的结构，凝胶整体上仍然保持平整状态。研究发现协同模式受图案尺寸、凝胶性质、溶胀过程影响；但是，图案间距超过一定范围后，局部变形的相互影响减弱，协同效应消失。在此基础上，我们通过选择性局部预溶胀，控制图案化水凝胶中局部屈曲变形的方向，从而得到特定的三维构型。将两片带孔的模板贴在复合凝胶的两侧，水中溶胀时仅有孔下方的凝胶被溶胀，形成厚度方向的梯度结构，使其向被保护的一侧弯曲。移除孔板后，溶胀差异导致的屈曲变形方向也会受此影响，直到形成稳定结构。由于变形具有可逆性，采用不同的模板可以使同一凝胶在相同条件下形成多种构型。此外，我们采用多步光刻法在水凝胶中同时构筑厚度方向和平面方向的梯度结构，实现扭转变形。通过引入不同响应性的高分子，实现凝胶局部选择性驱动以及不同构型之间的转换。这些研究发展了水凝胶梯度结构的构筑方法，拓展了可控变形模式和机理，并可以应用于其它体系，将在柔性电子、软驱动器等领域发挥作用。