设置“休眠期”,新型智能材料可定时变形
来源:中国科学报 | 作者:jyingguoji | 发布时间: 2023-09-14 | 98 次浏览 | 分享到:
2020年,日本北海道大学教授龚剑萍开发出的一类新型水凝胶进入浙江大学研究团队的视野。他们发现,这类材料具有复杂的变形行为——不仅具有形状记忆,而且“知道”什么时候要恢复记忆;回弹不仅延迟,而且是定时发生的。

  浙江大学教授谢涛与赵骞团队利用热致相分离水凝胶构建了可按需自发变形的形状记忆高分子,阐明了该类变形行为的机理及调控方法,并结合4D打印技术初步展现了该类材料用做医疗手术器件的独特潜力。相关成果9月13日在线发表于《自然》。


  2020年,日本北海道大学教授龚剑萍开发出的一类新型水凝胶进入浙江大学研究团队的视野。他们发现,这类材料具有复杂的变形行为——不仅具有形状记忆,而且“知道”什么时候要恢复记忆;回弹不仅延迟,而且是定时发生的。


  经过研究,该团队发现这类材料背后有一套独特的变形机制:材料从热变冷时,内部有两股力量在“竞争”:一方是保持临时形状的力,一方是恢复原始形状的力。开始时,保持临时形状的力占绝对优势,双方的力量差会达到1000倍以上。赵骞介绍,在很长一段时间内,材料会停留在临时形状,纹丝不动;而随着时间推移,保持临时形状的力持续不断下滑,材料就会出现肉眼可见的变形。研究显示,在力量差为20倍时,材料会出现5%的变形。


  研究人员通过磁共振成像对这种按需自发变形行为的内在机理进行了深入探究,证明该现象受控于材料内部的水分子扩散过程。基于机理的把握,研究人员得以利用“延时”来创造“定时”:操作方法非常简单,只需调控一个参数——热编程时间。目前能实现的最长“休眠期”为46分钟。


  有了这样的调控手段,研究人员就能根据“休眠期”的长短,事先对材料的不同位置设置不同的热编程时间,使得形变按时按需依次展开。


  论文中,他们概念性地展示了4D打印制备的延时变形血管支架。该支架从进入体内到输送到目标部位需要一定时间,如果依赖人体温度的触发,普通的形状记忆支架材料在到达目的地之前就会发生形变;而应用“休眠期”的定时变形器件,该支架能够在到达目标位置后启动形变。


  研究团队认为,具有定时变形效应的器件有望在生物医学工程、深空深海探测等方面发挥独特的优势。(崔雪芹)