自變形（self-shaping）材料的研究對(duì)醫(yī)療器械、軟機(jī)器人等領(lǐng)域具有重要意義。之前的研究表明，通過在水凝膠中構(gòu)筑厚度或平面方向的梯度結(jié)構(gòu)，可以控制水凝膠在溶脹過程中產(chǎn)生的應(yīng)力分布，從而實(shí)現(xiàn)可控變形。這些研究集中在彎曲、折疊、螺旋、褶皺等簡(jiǎn)單模式的變形，如何實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜、可控的變形模式是該領(lǐng)域的基本問題之一。
浙江大學(xué)高分子系功能材料與流變學(xué)課題組研究發(fā)現(xiàn)，周期性圖案化水凝膠會(huì)發(fā)生協(xié)同變形，自發(fā)形成交替的凹凸結(jié)構(gòu)（圖1）。通過光模板法，不溶脹的圓形聚丙烯酰胺水凝膠以正方形陣列位于高溶脹的聚(丙烯酰胺-co-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)凝膠中。在溶脹過程中，高溶脹率的水凝膠會(huì)向上凸起或向下凹陷，從而降低整個(gè)凝膠的彈性能，相臨區(qū)域的水凝膠向相反的方向屈曲，呈現(xiàn)變形協(xié)同性從而形成交替的凹凸結(jié)構(gòu)。
圖1：周期性軟化水凝膠制備及其協(xié)同變形
為了探索協(xié)同變形機(jī)理，圖案化水凝膠中的不溶脹區(qū)域排列成六邊形陣列結(jié)構(gòu)，其協(xié)同變形存在兩種不同的模式，分別以三角形或者菱形為協(xié)同變形的基本單元（圖2）。實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果顯示，協(xié)同變形模式的選擇取決于圖案的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及水凝膠的性質(zhì)。
圖2：六邊形陣列圖案化水凝膠的協(xié)同變形：菱形模式與三角形模式
該研究發(fā)現(xiàn)的局部變形呈現(xiàn)協(xié)同性，其機(jī)理可適用于其它智能材料。論文發(fā)表于Science Advances（2017,3, e1700348），論文第一作者為碩士生王志健，吳子良副教授與愛荷華州大學(xué)洪偉副教授為共同通訊作者，該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和“青年千人計(jì)劃”的資助。
文章鏈接：
http://advances.sciencemag.org/content/3/9/e1700348
Zhi Jian Wang, Chao Nan Zhu, Wei Hong*, Zi Liang Wu*, Qiang Zheng, Cooperative deformations of periodically patterned hydrogels, Science Advances, 2017, 3, e1700348
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