刺激響應(yīng)水凝膠的模塊組裝及其復(fù)雜形變.pdf

1、刺激響應(yīng)形變水凝膠是指在一定的環(huán)境信號(hào)刺激下，形狀可發(fā)生改變的一類水凝膠。此類水凝膠廣泛應(yīng)用于各種智能設(shè)備以及仿生器件的開發(fā)和設(shè)計(jì)。然而，目前其形狀大多比較單調(diào)，形變也多是簡(jiǎn)單的體積收縮/溶脹，從而限制了其應(yīng)用范圍。因此，制備具有復(fù)雜形狀和復(fù)雜形變的刺激響應(yīng)水凝膠并研發(fā)其應(yīng)用，是一個(gè)很有潛力的研究方向。
　　本論文以一種新型的模塊組裝方式，用主-客體相互作用力來化學(xué)鎖固（粘合）各水凝膠“構(gòu)筑模塊”，制備了一系列水凝膠組裝體（以下簡(jiǎn)

2、稱組裝體）。類似于樂高玩具，各種形狀和大小的水凝膠模塊，可以被組裝成各種復(fù)雜的三維形狀。而且，由于各水凝膠模塊具有不同的刺激響應(yīng)形變性，形成的組裝體可以具有各種復(fù)雜的形變行為。
　　本研究首先制備了兩種帶有β-環(huán)糊精（β-CD）主體官能團(tuán)的水凝膠（以下簡(jiǎn)稱主體水凝膠）。一種在溫度、pH或離子強(qiáng)度改變時(shí)可發(fā)生各向同性的體積變化，簡(jiǎn)稱為RH（responsive host的簡(jiǎn)稱）水凝膠;另一種沒有刺激響應(yīng)性，簡(jiǎn)稱為NRH（non-re

3、sponsive host的簡(jiǎn)稱）水凝膠。同時(shí)制備了一種帶有二茂鐵(Fc)客體官能團(tuán)的水凝膠（以下簡(jiǎn)稱客體水凝膠），該凝膠沒有刺激響應(yīng)性，簡(jiǎn)稱為NRG（對(duì)non-responsive guest的簡(jiǎn)稱）水凝膠。兩種水凝膠相互接觸時(shí)，將在宏觀尺度的界面上發(fā)生β-CD-Fc主客體相互作用，可將二者粘合起來，組裝成各種復(fù)雜形狀的組裝體。其中的客體水凝膠，相當(dāng)于粘合各主體水凝膠模塊的“雙面膠”。在外界刺激下，響應(yīng)性模塊的收縮/溶脹將受到非響應(yīng)性

4、模塊的限制，從而使整個(gè)組裝體宏觀上表現(xiàn)為彎曲或其他一維到三維的復(fù)雜形變。通過一定的力學(xué)設(shè)計(jì)，這種受限形變顯示出高度的可控性。此外，采用模塊組裝，還可以將預(yù)先變形的水凝膠模塊組裝起來，由此進(jìn)一步豐富了組裝體的形變能力。另一方面，由于β-CD-Fc主客相互作用可以在還原/氧化條件下動(dòng)態(tài)的產(chǎn)生/消失，此組裝體可在氧化條件下被拆分。拆下來的主體水凝膠模塊可以被反復(fù)使用，并可形成具有新的形狀和形變的組裝體。
　　進(jìn)一步，本研究制備了含有金剛

5、烷側(cè)基的直鏈聚合物。以其水溶液作為超分子客體“膠水”（以下簡(jiǎn)稱“膠水”），可直接粘合不同主體水凝膠模塊，形成各種組裝體。與客體水凝膠“雙面膠”相比，“膠水”具有以下優(yōu)勢(shì):一、粘合界面幾乎沒有厚度，從而可實(shí)現(xiàn)“零距離無縫對(duì)接”的模塊組裝;二、“膠水”本身無色且可以均勻分布在水凝膠表面，從而可實(shí)現(xiàn)粘合界面良好的透光性;三、可有選擇的對(duì)水凝膠模塊的局部特定區(qū)域進(jìn)行粘合。據(jù)此，可將各水凝膠模塊組裝成一些具有特殊刺激響應(yīng)功能的組裝體，例如可逆變焦

6、凸透鏡和表面能夠發(fā)生復(fù)雜的可逆皺褶的組裝體等。捕蠅草是一種神奇的植物，在捕食昆蟲時(shí)，其葉片會(huì)在某一時(shí)刻瞬間閉合。受其啟發(fā)，本研究制備了一種仿生組裝體。此組裝體在外部刺激作用下，初期將發(fā)生緩慢形變;而達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，則會(huì)在瞬間產(chǎn)生一個(gè)大的形變，發(fā)生形狀的翻轉(zhuǎn)，猶如捕蠅草捕食昆蟲的過程。不僅如此，翻轉(zhuǎn)后的組裝體還可以在另一外部刺激下發(fā)生反方向的瞬間翻轉(zhuǎn)，恢復(fù)最初的形狀。也就是說，在無外界接觸式擾動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)了可逆的瞬間翻轉(zhuǎn)。這一點(diǎn)甚至