摘要:
智能水凝胶在执行器、人机交互和柔性机器人等领域受到广泛关注。然而，当构建大型驱动系统时，它们通常表现出有限的驱动力（≈2 kPa）和驱动速度。从游丝的能量转换机制中得到启示，研制了一种具有较强收缩能力的弹塑性可控复合水凝胶（PCTA）。通过精确控制分子间和分子内氢键相互作用，可以对材料的弹性和塑性进行编程，以促进有效的能量储存和释放。所提出的机制能够在超高工作密度（0.96 MJ m−3）下快速产生高收缩力（900 kPa）。分子动力学模拟结果表明，氢键数量和性质的改变导致水凝胶发生明显的弹塑性转变。此外，所述导电PCTA水凝胶表现出多模态感测能力，包括具有宽感测范围（1-200%）、快速响应时间（180 ms）和输出信号的优异线性度的可拉伸应变感测。此外，它还具有出色的温度和湿度传感能力，检测精度高。该复合水凝胶具有较强的驱动力和实时的传感反馈能力，有望为新型柔性驱动材料和智能传感系统的开发提供新的思路。
机理：
本文报道了一种弹塑性可控的水凝胶材料PCTA（在反应体系中包含聚乙烯醇（PVA）、柠檬酸（CA）、单宁酸（TA）和AgNP的复合水凝胶，合成方法如图S1所示，支持信息），其显示了类似于由能量转换激发的游丝的独特的不可渗透的收缩机制，利用弹性和塑性行为之间的无缝过渡来释放大量能量。我们利用一个合适的小分子，CA，程序的数量和性质的氢键系统内的温度变化。通过利用氢键诱导的弹塑性行为变化，水凝胶表现出创纪录的高性能，如高驱动力（10900 kPa），快速变形率（高达100%每分钟），以及高达0.96 MJ m −3的令人印象深刻的输出能量密度。分子动力学研究表明，氢键数目和性质的改变导致不同的弹塑性转变。此外，我们的材料具有多模态传感功能。如果用作应变传感器，工程PCTA水凝胶可拉伸传感器提供了几个优点，包括从1%到200%的宽传感范围，快速响应时间（低至180 ms），以及输出信号的出色线性度。如果用作温度传感器，通过利用银纳米颗粒（AgNP）的高温灵敏度，该传感器表现出出色的传感能力，具有高检测精度（±1 °C）和在30 -40 °C范围内−0.043 °C−1的高电阻温度系数（TCR）。此外，PVA和CA组分固有的湿度敏感性使我们的水凝胶能够检测高分辨率湿度水平的变化，从而扩大其传感能力。强驱动和优异的传感能力可能使PCTA水凝胶在柔性智能材料中的广泛应用成为可能。
图文简介
图1 ：a）玩具车通过游丝预加载和随后的弹性势能释放而发生位移。B）说明能够通过调节温度刺激下的弹塑性相变来控制能量释放的PCTA水凝胶的设计策略的示意图。c）我们的PCTA水凝胶在各种合成收缩材料中具有上级输出功密度和收缩强度。d）低温下氢键状态的示意图。e）高温下氢键状态的示意图。温度刺激程序的分子间和分子内氢键的状态。
图2：a）系统示意图。B）原始PCTA复合水凝胶的SEM图像。c）能量转换后预拉伸（200%）的PCTA水凝胶的SEM图像。d）不同组分含量的PCTA复合水凝胶在25 °C下的拉伸应力-应变曲线。e）具有不同组成的PVA基水凝胶的压缩应力-应变曲线。f）在不同温度下冷却的PCTA水凝胶的压缩应力-应变曲线。g）具有不同冷却温度的PCTA水凝胶的杨氏模量。h）具有不同组成的水凝胶的杨氏模量。i）具有不同冷却温度的PCTA水凝胶的FTIR光谱。j）通过温度诱导将PCTA水凝胶编程为不同的3D形状的示意图和实验演示。
图3 ：a）具有五种氢键的PC复合水凝胶的原子模型说明。B）氢键数目，和c）在不同温度下纯PVA模型中的MSD表征。d）纯PVA模型中的MSD表征作为温度的函数。e）氢键的数目，和f）在不同温度下PC复合材料模型中的MSD表征。g）PC复合材料模型中的MSD表征作为温度的函数。h）PVA/CA型分子间氢键数，i）CA/CA型分子间氢键数，j）PVA/PVA型分子间氢键数。
图4 ：a）传感器的电阻响应与从0%到200%的施加应变的关系。B）PCTA应变传感器在10%应变下在50个拉伸释放循环中的电信号稳定性。c）改造前后传感器的应变传感性能。d）电信号随温度从30 ° C升高至70 °C而变化。e）相对电阻根据温度的变化而变化，从30 ° C到50 °C，每增加1 ° C。f）改造前后传感器的温度传感性能。g）相对电阻随湿度的变化。h）三个周期的周期性加湿反应。i）改造前后传感器的湿度感测性能。
图5：a）弹性能量密度作为由于机械功（MW）而引起的预拉伸比的函数。B）在从-80° C加热到最终温度25 °C之后，具有不同预拉伸比的水凝胶的收缩强度。c）不同终温水凝胶的收缩强度。d）模拟手臂举升过程中相对阻力的变化。e）模拟小车运动过程中相对阻力的变化。f）在模拟伤口愈合期间相对电阻的变化。g）手臂提升、推车移动和伤口愈合的物理图片以及这些过程的相应红外成像。h）水凝胶的储存能量和释放能量。
结论
受游丝能量转换机制的启发，在这项工作中，我们开发了一种具有新致动机制的智能水凝胶，该致动机制调节分子间力以改变材料的弹性，从而实现受控的能量储存和释放。分子动力学模拟证实，氢键的数量和类型的变化导致水凝胶中独特的弹塑性转变。氢键数量的增加允许更多的能量储存，氢键类型的改变允许更快的能量释放。这种独特的致动机制和氢键的可调性有助于显著提高致动速率，从而在能量转换过程中实现快速能量释放。基于能量预存储和可控释放的驱动方法提供了更强、更快的收缩（900 kPa，100% min−1）和更好的机械性能。在构建大型驱动系统时，关键的机械性能（力、速度和弹性模量）同时增加，从根本上打破了三者之间的矛盾关系，从而实现高达0.96 MJ m−3的高输出能量密度。此外，PCTA具有多模态传感能力，对应变、温度和湿度具有更高的精度。总的来说，氢键诱导的水凝胶弹性和塑性行为向能量受控释放的快速转变解决了可渗透水凝胶的弱收缩或缓慢收缩的长期问题，并为具有感测行为的强大智能水凝胶致动的合理设计开辟了道路。它将扩大智能水凝胶在人工肌肉，软机器人，柔性设备和生物医学材料中的实际应用。
制备：
PCTA的制备：采用溶液浇铸法和溶剂挥发法制备了PCTA复合水凝胶。首先，将银和CA溶解在2mL的离子化水中以形成前体溶液。将PVA粉末（2.5g）和TA（0.1g）加入到20g去离子水中并在90 ℃下充分搅拌直至完全溶解成均匀溶液。将PVA溶液冷却至60 °C并缓慢加入CA溶液。然后，向该溶液中滴加AgNO3溶液并搅拌1.5小时。最后，将混合溶液倒入圆形玻璃模具中并在烘箱中干燥12小时（40 °C），在此期间AgNO3原位还原以形成AgNP。将制备的水凝胶命名为PCxTyAz，其中x、y和z表示各组分的质量比。例如，PC 2.4 T 0.1 A 0.4表示在20 mL前体中存在2.5 g PVA、2.4 g CA、0.1 g TA和0.4 g硝酸银。
PCTA柔性水凝胶的可回收性：为了回收复合水凝胶，将破碎的水凝胶切成小块并溶解在水中。然后将超声波施加到所获得的混合物，类似于制备原始复合膜中所使用的步骤。
来源：聚氨酯资讯