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密苏里大学林见课题组:新型的自形变软硬复合水凝胶薄膜
2020-03-25  来源:高分子科学

  天然生物材料中普遍存在着软硬材料组分有序排列的奇特现象。因此生物体能够充分利用软硬材料组分的协同效益用以构建先进复合材料。研究人员受天然复合材料的启发,通过合理结合软硬材料的特性,从而设计新型的先进复合材料,进一步扩展复合材料在声学,电磁学,光学和力学等广泛研究领域中的应用。近日,密苏里大学机械工程系林见课题组联合黄国良课题组,采用了类似的仿生策略设计了一种新型的自形变(self-morphing)软硬复合水凝胶薄膜,并进一步探讨了该材料在声学超材料(acoustic metamaterials)中的潜在应用。相关成果以题为“Deterministic Self-Morphing of Soft-Stiff Hybridized Polymeric Films for Acoustic Metamaterials”发表在国际期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。


  研究人员通过化学键将热响应聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)水凝胶横向粘合在刚性的SU-8片段上,从而得到了一种新型的自形变复合水凝胶薄膜(图a)。PNIPAM水凝胶具有热响应性,当环境温度高于其转变温度 (transition temperature) 后,PNIPAM水凝胶会将内部的水分子排出去,导致体积收缩。而SU-8对温度不具备响应性,升温过程中其体积不产生变化。由于软硬组分体积变化的不均一性,复合水凝胶薄膜因此产生屈曲(buckling),从二维结构形变为三维结构 (图b)。同时研究人员发现该种软硬复合水凝胶的自形变行为是高度可控的。而通过对照组实验,研究人员发现全软PNIPAM-PAAM复合水凝胶的形变行为是不可控(图c)。为此研究人员通过有限元(finite element analysis, FEA)模拟(图d和图e),发现刚性组分(SU-8)在增强水凝胶薄膜形变可控性上发挥了重要的作用,它极大地增加了复合水凝胶薄膜从二维结构形变为三维结构所需克服的能量壁垒,从而有效地降低了自变形过程中的不可控性和不确定性。



  接着研究人员通过不同的SU-8图案设计,使得软硬复合水凝胶薄膜能够产生不同的可控形变,从而形成一系列复杂的三维结构。图为三维结构的实物照片和有限元模拟结果。



  最后研究人员将该软硬复合水凝胶薄膜组装成声学超材料阵列。根据实验和有限元模拟,研究人员发现该超材料阵列能够有效的过滤掉4000-6000 Hz 和7000-9000 Hz这两个频域的声学信号。证明了该复合材料在超材料领域的潜在应用。


  该研究的意义在于,提供了一种新思路用于构建自形变复合材料。该方法对于可形变材料的研发有着重要的启示作用,同时也将大大推动高分子材料在柔体机器人,传感器、人工肌肉,超材料等领域的重要应用。


  文章链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c01115

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(责任编辑:xu)
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