環(huán)境響應(yīng)型水凝膠，又稱“刺激響應(yīng)”或“智能”水凝膠，因其高的含水量、彈性、滲透性、外界刺激響應(yīng)性和大的變形等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域。目前，大多數(shù)智能水凝膠的響應(yīng)變形均憑借凝膠體內(nèi)和體外滲透壓的變化。然而，在這種滲透驅(qū)動機(jī)制下，凝膠材料的驅(qū)動力和響應(yīng)速度間相互矛盾，如圖1所示。要解決這一矛盾，需要從分子尺度設(shè)計(jì)并提出一種異于傳統(tǒng)“滲透型”水凝膠的非常規(guī)驅(qū)動機(jī)制。

圖1.傳統(tǒng)滲透型水凝膠的力和速度之間的矛盾

近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究員周峰團(tuán)隊(duì)與美國加州大學(xué)洛杉磯分校教授賀曦敏團(tuán)隊(duì)合作，通過仿生青蛙跳躍過程中肌肉的加速機(jī)制，提出一種非常規(guī)驅(qū)動模式（彈性驅(qū)動），解決了傳統(tǒng)滲透型水凝膠驅(qū)動機(jī)制力和速度之間的矛盾，制備出一種強(qiáng)收縮高能量密度的水凝膠材料，如圖2所示。與滲透驅(qū)動型水凝膠相比，彈性驅(qū)動型水凝膠具有側(cè)鏈觸發(fā)主鏈，主鏈自主收縮、彈性回彈，形變與網(wǎng)絡(luò)中水分子的傳輸無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，其收縮強(qiáng)度和能量密度分別高于滲透型水凝膠10倍和1000倍。

圖2.仿生青蛙跳躍過程中的能量儲存機(jī)制設(shè)計(jì)強(qiáng)收縮高能量密度凝膠材料

圖3.基于羧酸和鐵的配位和解配位的能量儲存和釋放方案

該研究解決了傳統(tǒng)滲透型水凝膠長期存在的“速度和驅(qū)動力”之間的矛盾，克服了傳統(tǒng)滲透型水凝膠材料的能量密度極限，甚至與生物肌肉（15 KJ/m3 Vs. 8 KJ/m3）相當(dāng)；新驅(qū)動機(jī)制將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，減少了中間步驟熱量產(chǎn)生和耗散，因而具有高的能量轉(zhuǎn)化效率（49％）；保持高響應(yīng)速度的同時能夠產(chǎn)生大的收縮力；可重復(fù)多次編輯，編輯方式多樣，實(shí)現(xiàn)了可控的多穩(wěn)態(tài)變形（各向異性或各向同性的變形）。

圖4.強(qiáng)收縮力和高能量密度

該研究為設(shè)計(jì)和制備強(qiáng)收縮、高能量密度、多形變模式的水凝膠材料提供了新策略。研究工作以Bioinspired high-power-density strong contractile hydrogel by programmable elastic recoil為題，發(fā)表在Science Advances上。蘭州化物所為論文的第一單位，博士馬延飛、華牧天為論文的共同第一作者，賀曦敏、周峰為論文的共同通訊作者。此前，周峰團(tuán)隊(duì)發(fā)明了利用鐵離子-羧酸根的強(qiáng)配位作用構(gòu)筑超高機(jī)械強(qiáng)度和韌性的水凝膠體系（Advanced Materials）；通過拉伸狀態(tài)下固定分子構(gòu)象制備出各向異性結(jié)構(gòu)的水凝膠，將水凝膠的拉伸強(qiáng)度提升到40MPa（Small），為該課題奠定了基礎(chǔ)。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院國際合作項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，美國國家科學(xué)基金會等的支持。