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浙江大学高分子科学与工程学系郑强教授、吴子良研究员团队在Adv. Mater.上发表剪纸结构水凝胶可控变形研究成果

日期:2020-06-04 17:05

变形材料在医疗器件、柔性电子、软机器人等领域有很好的应用前景。这些智能变形通常由材料不同响应性产生的体积、模量差异所致。其中,由平面梯度结构导致的屈曲变形具有双稳态的特性,引起了研究者的兴趣和关注。在可控变形与驱动器设计中,水凝胶等软材料通常是二维连续的表面,几何上的连续性导致相邻区域的变形相互限制,变形幅度较小。

郑强教授、吴子良研究员团队与南方科技大学洪伟教授团队合作,设计了一种具有剪纸结构的复合水凝胶,在同一条件下获得了多种稳态构型。通过多步光刻技术制备含有剪纸结构的复合水凝胶,其中高溶胀的凝胶被嵌在高模量、不溶胀的凝胶边框中。由于边框的限制,条状凝胶在溶胀时会发生大幅度的面外屈曲变形。通过局部预溶胀控制高溶胀凝胶的屈曲方向,实现了复合水凝胶的可控变形以及多稳态构型的选择性控制。剪纸结构的引入降低了几何上的相互制约,提高了变形自由度。通过剪纸结构的设计,可以使一些条状凝胶在另一些凝胶的基础上发生屈曲变形,形成多层三维构型。利用同一复合水凝胶形成的多种层级构型,研究人员设计了一种多触点的开关,实现了对多个LED灯的组合控制。此外,通过设计具有手性的二维图案,可以使局部凝胶面外屈曲的同时发生旋转变形,进一步丰富了变形模式与构型控制方法。

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该工作将水凝胶智能变形与剪纸艺术相结合,实现了多稳态可控三维变形,通过一定的剪纸结构设计,得到了多层三维构型,有利于拓展变形材料在医疗器械、柔性电子等领域的应用。相关工作“Kirigami-Design-Enabled Hydrogel Multimorphs with Application as a Multistate Switch”发表于Advanced Materials2020, 32, 2000781;  DOI: 10.1002/adma.202000781)。Wiley-VCH旗下的MaterialsViewsChina网站也报道了这一成果(网页链接: https://www.materialsviewschina.com/2020/05/45251/ 微信链接:https://mp.weixin.qq.com/s/DFYpXWHRh0Caxn4qTzLJCw)。




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