Periodisk mønstrede hydrogeler:en model for kooperativ deformation

(Phys.org) - I naturen, nogle organismer bruger deformationer til at skabe tredimensionel bevægelse. Et eksempel er Venus fluefælde, som åbner og lukker sine blade for at fange bytte. Når den er åben, bladene er konkave, men når de er lukkede, er bladene konvekse. Forskere er interesserede i at efterligne kontrollerede deformationer til applikationer i blød elektronik eller aktuatorer.

Forskere fra Zhejiang University i Kina, Iowa State University, og Hokkadio University i Japan har brugt periodisk mønstrede hydrogeler for at efterligne den slags kooperative deformationer, der ses i naturen. Disse hydrogeler deformeres spontant til tredimensionale konkave og konvekse konfigurationer, der styres af kooperative effekter fra nærmeste nabo. Deres arbejde vises i Videnskab fremskridt .

Hydrogels er fleksible polymerer, der absorberer vand, hvoraf nogle er stærkt hævede, mens andre er lav- eller ikke-hævede. Til denne undersøgelse, Wang, et al. brugte fotolitografi til at udføre en totrins fotopolymeriseringsproces for at skabe et todimensionalt array af skiftevis hydrogeler. De begyndte med at placere PAAm, en ikke-hævende gel, i et bestemt mønster, hvor noget af gelen udsættes for UV -lys. Derefter, en gel med høj hævelse, P (AAm-co-AMPS), blev lagt på den nyligt mønstrede ikke-hævende gel, som derefter blev udsat for UV -lys. Dette skabte et skiftevis mønster af to geler, der efter hævelse, resulterede i skiftevis konkave og konvekse deformationer i de højt hævede gelskiver.

Deformation opstår, fordi regioner med høj hævelse er begrænset af de ikke-hævende regioner, der får de højt hævede områder til at spænde. For at minimere global elastisk energi, de højt hævede områder veksler mellem konkave og konvekse deformationer. Det vekslende mønster blandt de højt hævede skiver viste en samarbejdende virkning ved, at tilstødende svulmende skiver syntes at "vide", om deres naboer var konkave eller konvekse.

For at forstå de kooperative virkninger af hydrogelskiverne, Wang et al. varieret afstand mellem diske samt diskenes radius af deres geler. De fandt ud af, at for at se kooperative effekter, der er en bestemt særlig afstand, kaldet den kooperative afstand, hvor hydrogel -disk -domæner bliver kooperative. I længder større end denne afstand, de observerede ikke samarbejdseffekter.

Arten af ​​disse deformationer, herunder kooperativ afstand, kan styres ved at ændre flere faktorer. For en, radius af de enkelte højt hævede skiver påvirker kooperativ afstanden. Desuden, forskelle mellem hydrogelernes hævelsesevner kan ændre det geometriske mønster. Hvis hydrogelerne ikke udviser et stort hævelsesfejl, så vil de danne et rombisk mønster med den højt hævede skive i midten omgivet af fire ikke-hævende skiver. Hvis gelerne er a har en stor hævelse, der ikke matcher, så danner de ikke-hævende skiver en trekantet geometri omkring de højt hævende skiver.

Disse geometrier kan styres ved at ændre opløsningsmiddelopløsningens ioniske karakter. For eksempel, en sekskantet anbragt mønstret gel med en skiveradius på 5 mm og afstanden mellem skiverne som 15 mm demonstreret trekantet deformation, når den er hævet med rent vand. Imidlertid, når der blev brugt 0,15 M NaCl, hydrogelarket fladt. Det viste en rhombisk form, når der blev anvendt 0,02 M NaCl.

Derudover Wang et al. viste, at du kan manipulere lokale områder af hydrogelen ved at foretage selektiv præ-hævelse. Dette gøres ved at maskere nogle af skiverne fra at komme i kontakt med vand eller saltopløsning, hvilket resulterer i, at de ikke-maskerede områder hæver, mens de maskerede ikke gør det.

Ved hjælp af forskelligt formede masker, forfatterne viste, at ændring af formen på de enkelte hydrogelskiver til firkanter eller ellipse ændrede den lokaliserede knækform. Imidlertid, gelerne bevarede stadig deres samarbejdseffekter. Deres undersøgelser viste, at ved at skræddersy hydrogelmønstrene, man kan opnå komplekse kooperative deformationer.

Endelig, forfatterne overvejede periodiciteten af ​​deres mønstrede hydrogeler. Dispersions periodicitet kan ændres ved at lægge forskellige geler ved hjælp af forskellige masker. I denne avis, PAAc og P (PAAm-co-VI), skiver blev anbragt i P (AAm-co-AMPS) gel. Disse geler reagerede forskelligt ved forskellig pH. To af gelerne hævede ved pH 2, danner det konkave-konvekse mønster. Ved en pH 10, en af ​​de hævede skiver hævede ikke, mens de to andre gjorde. Dette stimulus-udløste kooperative deformationsmønster var relativt reversibelt og kan skræddersyes yderligere ved hjælp af forskellige hydrogeler.

Dette arbejde demonstrerer ideen om kooperativ deformation ved hjælp af periodisk mønstrede hydrogeler, at levere et proof-of-concept, der generelt bør være gældende for andre materialer.

© 2017 Phys.org