Движение гидрогеля регулируется светом и электрическими полями.

22 августа 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Тамараси Джевандара, Phys.org

Ученые-материаловеды стремятся разработать автономные материалы, которые функционируют за пределами реагирования на стимулы. В новом отчете, опубликованном в журнале Science Advances, Ян Ян и исследовательская группа из Центра биоинспирированных энергетических наук Северо-Западного университета США разработали фото- и электроактивируемые гидрогели для захвата и доставки грузов и обхода препятствий на обратном пути.

Для этого они использовали два мономера спиропирана (фотопереключаемые материалы) в гидрогеле для фоторегулируемого перезаряда и автономного поведения в постоянном электрическом поле. Фото/электроактивные материалы могут автономно выполнять задачи, основанные на постоянных внешних стимулах, для разработки интеллектуальных материалов на молекулярном уровне.

Мягкие материалы с реалистичной функциональностью имеют многообещающее применение в качестве интеллектуальных роботизированных материалов в сложных динамических средах, имеющих важное значение в человеко-машинных интерфейсах и биомедицинских устройствах. Ян и его коллеги разработали фото- и электроактивируемый гидрогель для захвата и доставки груза, обхода препятствий и возвращения в точку отправления, основываясь на постоянных стимулах видимого света и приложенном электричестве. Эти постоянные условия давали энергию для направления гидрогеля.

Исследовательская группа ковалентно интегрировала спиропирановые фрагменты с различными заместителями в конструкции, чтобы регулировать чистый заряд мягких материалов. Они использовали моделирование методом конечных элементов для управления дизайном и движением заряженных гидрогелей и проектировали трехмерные профили поверхности, чтобы максимизировать диэлектрофоретический эффект. Ян и его команда дополнительно изучили возможности электроактивного передвижения и фотоактивации в гидрогелях спиропирана.

Ян и его коллеги использовали две разные молекулы спиропирана с разными суммарными зарядами. На основе существующих отчетов они синтезировали каждую из молекул с полимеризуемой метакрилатной группой.

Они включили различные соотношения молекул спиропирана в полимерные цепи N-изопропилакриламида (PNIPAM) для образования гидрогелей. В этом случае они настроили функции перезарядки, используя сополимеры структурных единиц спиропирана, чтобы продемонстрировать фотопереключаемый потенциал и обратимое зарядовое поведение с настраиваемым зарядом. Ученые настраивали время перезарядки, изменяя соотношение двух спиропирановых фрагментов, не меняя при этом скорости переключения и восстановления.

Основываясь на характере перезарядки полимеров, команда Янга фоторегулировала электроактивные гидрогели, используя для их приготовления сшивающий агент.

Сначала команда могла положительно зарядить гидрогель, чтобы он двигался к катоду под действием электрического поля постоянного тока, где положительный заряд передавался от спиропирановых фрагментов в сетку гидрогеля. После этого постоянно связанные сульфонатные группы в полимерной цепи сделали суммарный заряд конструкции отрицательным, позволяя отрицательно заряженному гидрогелю вернуться обратно к аноду.

Команда изучила фоторегулируемую скорость электроактивного движения гидрогелевых дисков в течение нескольких циклов света и темноты, чтобы изучить скорость их движения, и определила взаимосвязь между зарядом и скоростью гидрогелевых дисков. Они основывали это на балансе между электростатической силой и силой гидродинамического сопротивления, где более высокое приложенное напряжение и больший диаметр гидрогелевых дисков обеспечивают более высокую скорость передвижения. Такие полимерные устройства хорошо подходят для захвата и доставки грузов посредством автономной охоты.