无水环境中可驱动智能高分子水凝胶的仿生构筑与性能研究

As one of bionic intelligent materials including the whole functions of sensing, actuating and response, smart polymer hydrogel can occur the swelling/contraction upon the trigger by external stimuli, and transform the external signal into mechanical deformation. Compared with the studies in driving the hydrogel in aqueous phase, the researches of driving the hydrogel in water-free environment is highly lagging, which seriously limits its application in many occasions. In accordance with the principle and method of bionics, from Mimosa stimulated leaf water molecules in pulvinus on the two part of the directional movement lead to closed, petiole drooping ideas, this project is proposed to use various polymers with different thermal responsive ability to fabricate anisotropic composite hydrogels with double, multilayer and multi type gradient structures. After the surface suprahydrophobic modification of the composite hydrogel to form independent system with outside water environment isolation, we propose to reveal circulation mechanism of water molecular between different hydrogel layer in the system, and to realize the new idea of the driving hydrogel in water-free environment. This research will enrich the design idea of new hydrogel driver, can drive the development of hydrogel soft matter robot in the anhydrous environment to provide experimental and theoretical basis.

智能高分子水凝胶可在外部环境的刺激下发生交联聚合物网络的溶胀或收缩，实时把外部的刺激信号转化为机械的形变，是一种集感知、驱动和反馈于一体的仿生智能材料。与在水相中可驱动水凝胶的研究相比，在非水环境中可驱动水凝胶的研究则十分滞后，严重制约了其在多场合下的应用。本项研究依照仿生学的原理和方法，借鉴含羞草受到外界刺激时水分子在叶枕内上下两部分的定向移动导致叶片闭合、叶柄下垂的思路，拟利用热响应能力差异的高分子构筑各向异性的双层、多层及梯度等多类型复合水凝胶，经表面超疏水功能化后构成与外界水环境隔离的独立系统，实现热刺激下水分子在该系统内不同水凝胶层之间的内循环，进而诱导其在无水环境中的驱动应用。本研究将丰富水凝胶驱动器制备的新思路，为无水环境中可驱动水凝胶及其软物质机器人的应用开发提供实验和理论基础。

智能高分子水凝胶可在外部环境的刺激下发生交联聚合物网络的溶胀或收缩，实时把外部的刺激信号转化为机械的形变，是一种集感知、驱动和反馈于一体的仿生智能材料。与在水相中可驱动水凝胶的研究相比，在非水环境中可驱动水凝胶的研究则十分滞后，严重制约了其在多场合下的应用。本项目依照仿生学的原理和方法，借鉴含羞草受到外界刺激时水分子在叶枕内上下两部分的定向移动导致叶片闭合、叶柄下垂的思路，利用热响应能力差异的高分子构筑各向异性的双层、多层及梯度等多类型复合水凝胶，实现热刺激下水分子在该系统内不同水凝胶层之间的内循环，进而诱导其在无水环境中的驱动应用。我们的研究丰富了水凝胶驱动器制备的新思路，为无水环境中可驱动水凝胶及其软物质机器人的应用开发提供实验和理论基础。通过高分子水凝胶的形变、色变等功能的研究，进一步开拓了高分子水凝胶的功能构筑与智能调控的新思路。通过本项目的资助，我们在 Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, J. Mater. Chem. C等上发表了 15 篇相关的论文；培养了郑景、汪力、乐晓霞、章宇冲、魏书心、吴宝意等研究生、以及乐晓霞、魏俊杰博士后，其中乐晓霞获得了博士生国家奖学金，乐晓霞博士在博士后期间晋升为副研究员。通过本项目的部分资助，申请人进行了多次国内外学术交流，申请人于2018年7月及2019年8月前往德国汉堡大学/卡尔斯鲁厄理工学院Patrick Theato教授进行合作交流，还与其一起申报获批了国家自然科学基金委中德中心中德合作交流项目（M-0424，仿生智能高分子驱动材料，2021.1-2023.12），在国内同样参加多次学术会议以及邀请相关人员来宁波材料所进行交流，如参加2019年在西安举办的高分子年会/无锡举办的胶体界面年会，2020年在海口举办的高分子材料科学与工程研讨会、2021年在北京举办的高分子年会等，都进行了口头/邀请报告等。