蘭州化物所與美國加州大學洛杉磯分校合作制備出強收縮高能量密度水凝膠材料

環境響應型水凝膠，也稱為“刺激響應”或者“智能”水凝膠，因為其高的含水量、彈性、滲透性、外界刺激響應性和大的變形等優點，被廣泛應用于生物醫學、軟體機器人等領域。目前，大多數智能水凝膠的響應變形均憑借凝膠體內和體外滲透壓的變化。然而，在這種滲透驅動機制下，凝膠材料的驅動力和響應速度間相互矛盾。要打破這個矛盾，需要從分子尺度設計并且提出一種異于傳統“滲透型”水凝膠的非常規驅動機制。近日，中國科學院蘭州化學物理研究所周峰研究員團隊和美國加州大學洛杉磯分校賀曦敏教授團隊合作，通過仿生青蛙跳躍過程中肌肉的加速機制，提出了一種非常規驅動模式(彈性驅動)，打破了傳統滲透型水凝膠驅動機制力和速度之間的矛盾，成功制備了一種強收縮高能量密度的水凝膠材料。與滲透驅動型水凝膠相比，彈性驅動型水凝膠具有側鏈觸發主鏈，主鏈自主收縮、彈性回彈，形變與網絡中水分子的傳輸無關等優點，其收縮強度和能量密度分別高于滲透型水凝膠10倍和1 000倍。

該研究成功解決了傳統滲透型水凝膠長期存在的“速度和驅動力”之間的矛盾，打破了傳統滲透型水凝膠材料的能量密度極限，甚至與生物肌肉(15 kJ/m3Vs.8 kJ/m3)相當；新驅動機制將化學能直接轉換為機械能，減少了中間步驟熱量產生和耗散，因而具有高的能量轉化效率(49%)；保持高響應速度的同時能夠產生大的收縮力；可以重復多次編輯，編輯方式多樣，實現了可控的多穩態變形(各向異性或各向同性的變形)。

該工作為設計和制備強收縮、高能量密度、多形變模式的水凝膠材料提供了新策略。