Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Kemi

Magnetisk styret, hydrogelbaserede smarte transformere

a) Billeder, der viser en transformers formtransformation. b) Formtransformationsprocessen for en blød hydrogeltransformator under koblingen af ​​magnetfelt og NIR. c) SEM -billederne af HG -Fe3O4 -hydrogel. d) Den skematiske illustration af gelatins overgang mellem spole og triple -helix struktur. e) Den bløde transformer kan krydse de smalle hak efter formformning. f) Den bløde transformator deformeres først til en foldet form, passerer derefter gennem de smalle passager i den særlige labyrint, og til sidst genopretter den til den oprindelige form i et bredt område. Kredit:Avancerede intelligente systemer, doi:10.1002/aisy.202000208

Mens filmen "Transformers" introducerede intelligente robotter, der forvandlede sig mellem former med flere funktionaliteter, forskere udvikler intelligente bløde transformatorer til betydeligt at accelerere forskningsapplikationer i laboratoriet. I en nylig rapport, der nu er offentliggjort i Avancerede intelligente systemer , Dachuan Zhang og et forskerhold inden for materialevidenskab og kemiske videnskaber i Kina, foreslog en fjernstyret blød transformer baseret på et formhukommelseshydrogelsystem. Teamet opnåede hydrogel ved at indlejre magnetit (Fe 3 O 4 ) magnetiske nanopartikler i en dobbeltnetværkspolymerstruktur af poly (N- (2-hydroxyethyl) acrylamid) indeholdende gelatine.

Den reversible spole-triple-helix-transformation af gelatinkomponenten gennemsyrede hydrogel med formhukommelse og selvhelbredende egenskaber, mens magnetit -nanopartiklerne gav fototermisk opvarmning og magnetiske manipulationsfunktioner til at deformere hydrogel til navigation i et magnetisk felt. Holdet kunne derefter genoprette den deformerede form via formgenopretning ved hjælp af let bestråling. Zhang et al. fjernstyret form-hukommelsesprocesserne gennem magnetisk drevet aktivering og lysassisteret formhukommelse. Som bevis på konceptet, de skabte en række robotter, herunder en hydrogel-atlet, der kunne lave sit-ups, hydrogel transformatorer, en lotus i fuldt flor, og et hydrogel -rumfartøj, der kan lægges til kai i luften. Arbejdet vil inspirere til design og fremstilling af nye smarte polymersystemer med synkroniserede flere funktioner.

Form hukommelse hydrogeler

Mens de fiktive transformere tillod hårde robotter at forvandle sig til enhver form inklusive køretøjer, bløde transformatorer er af større interesse for grundforskning og anvendelser inden for biovidenskab. I dette arbejde, Zhang et al. beskrevet en fototermisk og magnetisk styret formhukommelseshydrogel. De kombinerede en kemisk tværbundet polymer og et reversibelt tværbundet gelatine netværk indlejret med magnetit nanopartikler for at skabe en fototermisk og fleksibel, selvhelbredende konstruktion, der kunne manipuleres magnetisk. Shape memory hydrogeler (SMH'er) har fået øget opmærksomhed, da intelligente polymere materialer og forskere har til formål at fjernstyre sådanne materialer for at etablere forskelligartet aktiveringsadfærd.

Den blomstrende proces af en hydrogel Lotus. Kredit:Avancerede intelligente systemer, doi:10.1002/aisy.202000208

For eksempel, formhukommelsespolymerer kan reparere midlertidige former og gendanne deres arkitektur under eksterne stimuli, med stigende interesse på tværs af biomedicinsk, tekstil, fleksibel elektronik og datakrypteringsdiscipliner. Magnetiske nanopartikler er effektive additiver til at indføre fjernstyret berøringsfri aktivering. Når hydrogeler belyses med nær-infrarødt (NIR) lys, disse magnetiske nanopartikler vil kontinuerligt omdanne lys til varme, forårsager opvarmning af hydrogel. Dette vil forårsage reversibel deformation af hydrogel til applikationer som frit bevægelige bløde robotter. Denne strategi vil hjælpe med at fremme udviklingen af ​​nye formhukommelseshydrogelsystemer til applikationer som ubundne robotter.

Egenskaber ved formhukommelse hydrogeler

Da hydrogeller med formhukommelse stabilt og midlertidigt kan huske deres form og genoprette den oprindelige form perfekt under specifikke stimuli, holdet gennemførte bøjningstest med materialet, som de forkortede som HG for dets bestanddelspolymerer. De nedsænkede derefter en prøve i varmt vand (60 grader Celsius) i 30 sekunder for at fremkalde opdeling for at blødgøre hydrogel, fjernede det fra mediet og genoprettede formerne efter at have nedsænket hydrogeler i varmt vand (60 grader Celsius). Zhang et al. udført en række kontrollerede eksperimenter for at verificere de faktorer, der påvirker hydrogelens formhukommelsesydelse. Som bevis på konceptet, teamet designede og udviklede en hydrogelblomst for perfekt at efterligne blomstringen af ​​en lotus.

Forbindelsen mellem et hydrogel -rumfartøj og en hydrogel -rumstation i luften. Kredit:Avancerede intelligente systemer, doi:10.1002/aisy.202000208

Da forskerne introducerede magnetit-nanopartikler for at danne HG-Fe 3 O 4 hydrogel, bestanddelene kunne absorbere og omdanne lys til varme med lysbestråling, hvilket får temperaturen på hydrogel til at stige. Under lys-til-varme konvertering, materialet opnåede fotoaktiveret selvhelbredelse. For at demonstrere dette fænomen, holdet oprettede en HG-Fe 3 O 4 hydrogel rumstation under et magnetfelt og anvendte NIR til at bestråle konnektorerne og forankre rumfartøjslignende konstruktion med et rumstationslignende stik for at realisere selvhelbredelse og genforbindelse i luften.

Gendannelse af former gennem fototermiske effekter og fjernstyring af formhukommelsesprocesser

Holdet kunne kun opnå formgendannelse for HG-hydrogel ved at regulere temperaturen til en bestemt værdi, i fravær af magnetit -nanopartikler. Tilsætningen af ​​magnetit gav HG-Fe magnetiske egenskaber 3 O 4 hydrogel for at tillade fjernstyret formhukommelsesgendannelsescyklusser. Som bevis på konceptet, holdet udviklede en form-overgangsrobot i form af en hydrogel-atlet til at deformere fra 2-D til 3-D. I fravær af NIR og tilstedeværelsen af ​​en magnet, hydrogel -atleten kunne hurtigt 'skubbe op', derefter genvinde sin form til den flade konformation ved fjernelse af magneten. I den anden opsætning, de tændte NIR og løftede hydrogel-atleten med en magnet, derefter holdt magneten tændt i to minutter, mens NIR blev slukket, så atleten kunne køle ned. Holdet frøs denne gestus i en tidsramme, hvorefter de tillod robotten at vende tilbage til sin oprindelige position ved at tænde NIR'en igen. Denne teknik kan bruges til at udvikle bløde gribere, der er fordelagtige til applikationer som kirurgiske robotter i translationel forskning.

En hydrogel-atlet laver sit-ups med hjælp fra magnetfelt og NIR. Kredit:Avancerede intelligente systemer, doi:10.1002/aisy.202000208

Teamet brugte også interaktionen mellem permanente magneter og de konstituerende magnetit-nanopartikler i HG-Fe 3 O 4 hydrogel til at guide konstruktionen til retningsbestemt navigation. Ved hjælp af hydrogel, de viste, hvordan magnetinduceret retningsbestemt navigation kunne lede en blød transformer gennem en labyrint. Sådanne eksperimentelle koncepter har potentiale til en række anvendelser som bløde transportører til at transportere gods til lægemiddellevering og frigivelse i biomedicin.

Magnetisk retningsbestemt navigation og fototermisk formgendannelse. a) HG -Fe3O4 -hydrogelens temperaturstigning med 1 vægt% Fe3O4 i vand og luft, når den belyses af NIR. b) De infrarøde billeder af HG -Fe3O4 -hydrogel med 1 vægt% Fe3O4 i vand og luft, når de belyses af NIR i 0, 60, 120, 180 s. c) Skematisk illustration af den retningsbestemte navigation i Transformer og dens form -transformationsproces. d) Den trepote bløde transformer kan ikke krydse de smalle hak uden formformning, og den kan krydse de smalle hak, efter at den foldede form er låst ved hjælp af magnetfelt og NIR -lys. e) Billederne, der viser en trepote robot deformeres først til en foldet form, naviger derefter over en særlig labyrint styret af en magnet, og vender tilbage til den udfoldede form, når den belyses af NIR (energitætheden er 3,06 W cm − 2). Målestænger:2 cm. Kredit:Avancerede intelligente systemer, doi:10.1002/aisy.202000208

Udsigter til bløde transformatorer inden for biovidenskab

På denne måde, Dachuan Zhang og kolleger udviklede en ny og effektiv metode til at bygge bløde hydrogeltransformatorer med magnetiske og fototermiske egenskaber integreret i et formhukommelseshydrogel (SMH) -system. Den resulterende HG-Fe 3 O 4 hydrogeler havde yderst fordelagtige egenskaber, herunder deformation uden kontakt, magnetisk aktivering, fototermisk ydeevne, selvhelbredende og retningsbestemt navigation i vand og luft. Teamet udviklede en række proof-of-concept bløde robotter for at demonstrere de dynamiske egenskaber ved SMH-systemet og mener, at dette designkoncept vil inspirere udviklingen af ​​nye intelligente systemer til applikationer inden for bioingeniør og biomedicin.

© 2020 Science X Network




Varme artikler