中国地质大学研招网(中国地质大学研招网武汉)
中国地质大学研招网，中国地质大学研招网武汉
如何控制液体运输是一个涉及微流体、水收集、打印、医疗检测和分析到能量转换等领域中被广泛应用的基本科学问题。在该领域有一个难以实现的巨大挑战，即实现日常生活和化学工业中常见的粘性液体（>100 mPa s）的可控运输，如重油、聚合物溶液、乳化液、蜂蜜（和许多离子液体。主要原因是由于粘性液体和基质之间存在高粘附性和粘性流动阻力，因此难以实现如同低粘度液体一样的泵控制传输。现阶段主要通过提高温度或添加表面活性剂来降低液体的粘度，可以降低粘性流动阻力，有效地提高液体的输送性能。但这些方法并不具有成本效益，液体与基底之间的粘附无法避免，在运输过程中造成显著的液体损失。此外，表面活性剂的使用也会导致污染和随后的处理问题。
哺乳动物（如人类）的胃肠道蠕动通过驱动力控制和阻力控制的协同整合，在进行粘性液体的运输方面具有一个有趣的优势。胃肠可以通过邻近平滑肌以0.5-2 cm s-1的速度向结肠持续收缩蠕动驱动粘性液（即食糜液，其粘度可达到2000mPas）向前移动。同时，胃肠道系统的内表面含有润滑黏液，这显著降低了液体的移动阻力。因此这一机理可以作为输送粘性液体的有效方式。
近期，中国地质大学陈林峰团队设计并演示了一种新型的双层管状水凝胶致动器（DLTHAs），以实现受胃肠道蠕动功能启发的粘性液体的定向运输。外水凝胶层可以在近红外（NIR）光下脱水收缩，而内层被设计为超亲水，可以由水形成润滑层。通过应用NIR光的预定运动方向，DLTHAs内具有宽粘度范围（从~1000mPas到>80000mPas）的粘性液体可以成功地推进定向移动。液体的粘度比以前的报道要高得多。该工作为高粘性液体的定向运输铺设了一条新的途径，这不仅扩大了液体运输的研究范围，而且将刺激新的液体执行器的设计，在基于粘性液体的微流体、人工血管和软体机器人方面具有潜在的应用。该工作以题为“Gastrointestinal peristalsis-inspired hydrogel actuators for NIR-controlled transport of viscous liquids”的文章发表于Advanced Materials上。
DLTHAs水凝胶致动器的设计与制造
这种由胃肠蠕动启发的管状水凝胶致动器由两层组成。外层为聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）/海藻酸盐凝胶（AG）互穿网络，并掺杂碳纳米管（碳纳米管）（表示为PNIPAM/AG/CNTs)。加入海藻酸盐组分可以提高复合水凝胶的力学性能，而碳纳米管可以将NIR光转化为热。内层为超亲水性海藻酸盐凝胶。在外部应用的NIR下，碳纳米管会吸收光能并将其转化为热量，导致外部PNIPAM/AG/CNTs水凝胶的收缩。在此过程中，水被产生，并在内部超亲水性AG表面形成润滑膜，促进了粘性液滴的运输。
对制备的DLTHAs水凝胶致动器进行了表征。由于碳纳米管的存在，它们的外观是黑色的，而中心是中空的。通过光学显微镜可以观察到致动器的纵向截面上连接界面清晰的两层（用黄色虚线标记）。扫描电镜（SEM）进一步观察显示了两层微观结构的差异。内层致密，外层多孔，如图2c所示。这两个水凝胶层结合得很好。能量色散x射线光谱（EDS）表征表明，AG层的钙浓度相对均匀，从界面向外层逐渐降低，这与AG浓度梯度一致且合理。作为对照，我们还制备了仅由PNIPAM/ AG/CNTs复合水凝胶组成的单层管状水凝胶致动器（MLTHAs）。MLTHAs表现出与DLTHAs外层相似的多孔结构。当DLTHAs和MLTHAs交替暴露于NIR光和水（20℃）时，它们都表现出可逆的膨胀/脱膨胀特性。
NIR驱动DLTHAs的粘性液体定向运输演示和机理分析
研究了水凝胶致动器的液体驱动性能。将粘度最高的PDMS100（约15 μL，并且尼罗河红染色）添加到DLTHA中。如果仅仅在重力作用下，没有观察到液体从DLTHAs执行器流出。当NIR光与一个预设的移动方向从右到左照射到水平放置的DLTHAs执行器（光源约5厘米远离辐射点和激光点直径约6毫米），水凝胶连续收缩，观察到红色粘性液体在6 min内中完全从管中推出。致动器变为白色是由于分子构象的变化，从扩展状态到紧密排列的球状构象。傅里叶变换红外（FTIR）光谱显示，去除水后的粘性液体表现出与运输前相同的特征峰。对于MLTHA，PDMS100也难以利用重力流出，但可以由NIR推动其移出。同时，在 MLTHA将PMDS100推出后，还有有大量的粘性液体从正确的开口流出，说明MLTHA内的液体并没有完全被推动定向移动。在NIR驱动的液体输送后，进一步测试了两个执行器内部残留的PDMS100。用激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）观察所得样品的横截面。在DLTHA样品中没有观察到红色荧光，但在所有来自MLTHAs的切割样品中都观察到荧光，这表明PDMS100被有效地推动走出DLTHAs，而沿着MLTHAs的整个通道都残留的PDMS100。
粘性液体的输送是由于外层水凝胶收缩和超亲水水膜形成的润滑导致的水动力压力的协同作用。位于DLTHA内部的粘性液滴最初与执行器的内层有粘附性，因此即使在重力作用下也不易移动。当NIR光施加于致动器时，外层的碳纳米管有效地将激光能量转化为热量，导致致动器收缩。由于DLTHA的内层（即AG）是超亲水性的，水凝胶的收缩产生大量的水进入通道，在内表面会优先形成水膜，显著降低了粘性液滴与内表面之间的附着力。文中还通过对比实验验证该机理。在水中，粘性液滴在PNIPAM/AG/CNTs上保持接触，表明液滴与衬底物之间有很强的附着力。然而，相同条件下AG上的粘性液滴变成球形，可以在表面自由移动，这是由于粘性液体和AG表面之间存在水膜。
小结：本文报道了一种受哺乳动物胃肠道蠕动的启发的新型双层管状水凝胶致动器，用于在NIR光控制下的高粘性液体运输。致动器的外层是基于PNIPAM的水凝胶基质，其中含有光热纳米材料。内层为超亲水性AG。在预定移动方向的NIR光下，致动器的外层收缩和内层形成的润滑水膜的协同操作成功地推动了粘性液体的定向传输。粘性液体的粘度范围很宽（从1000 mPa s到80,000 mPa s），甚至半固体样品也可以定向运输。这项工作提出了一种运输高粘性液体的一般策略，本研究提出了一种运输高粘性液体的一般策略，可以激发设计软液体输送执行器的新思路。所开发的管状致动器也可应用于粘性液体基微流体、软机器人和化学反应的泵送装置。
–纤维素推荐–
–测试服务–
来源：高分子科学前沿
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
中国地质大学研招网(中国地质大学研招网武汉)