宁波大学考研(宁波大学考研专业目录及考试科目)

宁波大学考研，宁波大学考研专业目录及考试科目

【摘要】

热致响应形状记忆水凝胶通常在低温时固定临时形状, 升高温 度回复至初始形状。然而, 水凝胶高含水量的特点导致其较弱的力学性能, 限制了其广泛应用。 该文介绍了一种具有独特的冷致形状回复功能的聚丙烯酸/乙酸钙水凝胶, 由于乙酸基团在高温下形成聚集体, 进而会导致聚丙烯酸网络的疏水聚集和硬化, 因而水凝胶的临时形状可在70°C时固定, 并在20°C的低温环境回复至初始形状 . 同时, 通过调控形状固定时间可以实现分步形状恢复. 这种形状记忆水凝胶可用作人工肌肉, 其做功能力高达45.2 kJ m−3, 远超过一般动物肌肉的做功能力(∼8 kJ m−3).

【图文解析】

该材料由聚丙烯酸水凝胶和醋酸钙络合而成，在常温下处于柔软状态可以被编辑形状，加热至70 °C时通过相分离产生玻璃态微区而发生硬化，这一性质被用于固定临时形状。再次将此材料置于低温状态，材料发生软化从而回复初始形状（图1）。

图1 具有冷诱导形状回复性能的聚丙烯酸-醋酸钙复合水凝胶的形状记忆示意图。

改变高温处理的时间可以控制该材料的相分离的程度，从而控制材料在低温中的软化速率。利用这一特点，研究人员设计了分步形变的水凝胶弹簧（图2）。

图2 聚丙烯酸-醋酸钙复合水凝胶的程序化形状回复过程和功能展示。

研究人员进一步将形状记忆水凝胶开发成生物肌肉模型（图3）。在骨骼的上下臂上贴附有固定拉伸状态的水凝胶条，材料在寒冷的环境中收缩，骨骼可以抬起手臂。其做功能力高达45.2 kJ m−3，远超过一般动物肌肉的做功能力(~8 kJm−3)。研究人员还将材料开发为食品盒锁扣和热感应水车。这些结果表明材料在耐热人工肌肉、温度监测等方面具有一定的应用前景。

图3 聚丙烯酸-醋酸钙复合水凝胶作为人工肌肉和温度监测器件的应用展示。

总之，该团队设计了一种独特的形状记忆水凝胶，具有冷诱导形状恢复性能和作为人造肌肉的出色工作能力。形状记忆机制基于 PAA 网络和醋酸钙之间的协调。由于乙酸酯基团在高温下不易溶解，因此在高温下会发生聚合物链的聚集和水凝胶网络的刚性化，从而使水凝胶的形状固定。通过调整形状固定时间，可以在寒冷的环境中实现顺序形状恢复。此外，PAA/Ca(CH3COO)2 水凝胶出色的机械性能表现在智能设备如时间控制器和温度监测器等应用中。与之前报道的智能水凝胶相比，PAA/Ca(CH3COO)2 形状记忆水凝胶显示出大大提高的工作密度（~45.2 kJ m -3 ），使其成为人造肌肉的优秀候选者。总体而言，具有相反热响应变形方式的水凝胶将为形状记忆水凝胶开辟一条新途径，并促进在不耐热环境中的应用，例如可应用于生物医学领域的软机器人和人造肌肉。可以在寒冷的环境中发挥作用。

相关论文以题为 Cold-induced shape memory hydrogels for strong and programmable artificial muscles发表在《 Science China Materials》上。通讯作者是 天津工业大学 张佳玮教授 ， 共同作者是宁波大学 赵传壮教授 等人。

参考文献：

doi.org/10.1007/s40843-021-1971-9

宁波大学考研(宁波大学考研专业目录及考试科目)