浙江大学赵骞《Chemistry of Materials》光开-关动态网络时间编程自主变形水凝胶

浙江大学赵骞教授团队在《Chemistry of Materials》发表了关于光开-关动态网络时间编程自主变形水凝胶的研究，该研究提出利用动态离子键作为时间编程机制，结合光响应性二硫键交联，实现了水凝胶的自主无触发变形及多功能应用。研究背景与意义传统响应性材料依赖外部刺激触发，而时间可编程材料能自主响应，但分子促成机制尚未充分开发，限制了其在功能装置中的应用。浙江大学赵骞教授团队提出，坚韧水凝胶中的动态离子键可作为有效且普遍适用的时间编程机制，实现无需外部触发的精确操纵变形行为。研究内容与方法动态网络设计：在水凝胶网络中掺入可光转换的动态二硫键，引入空间控制几何形变路径的机制。动态离子键与光响应性二硫键交联协同作用，实现时间可编程性和光可定义性。分子机制：二硫化物交换的光塑性：光响应性二硫键交联提供可塑性，允许平面水凝胶永久成型为3D几何形状。离子交换的时间编程：调节离子交联键，操纵离子交换介导的形状恢复动力学，实现时间编程。实验结果与讨论离子水凝胶的时间编程行为：DHx水凝胶展现出特定的机械性能和杨氏模量、膨胀率。折叠测试评估回收率，比较水凝胶的应变恢复动力学。不同编程时间下（1、30、180、720分钟）的恢复动力学差异显著。DH25的时空编程和恢复实验，验证了时间编程的可行性。光致可塑性永久性重塑：DH25的保形性与照射时间正相关。宏观重塑照片展示水凝胶的3D成型能力。压印顺序重塑表面图案，实现多尺度结构控制。制造出具有多尺度结构的水凝胶蜻蜓，验证光塑性的精细控制能力。结合光致可塑性和时间编程的变形：两把自折叠椅子实验，展示不同恢复动力学。举重运动员模型，起立快、起举慢，验证时间控制的部署能力。支架被困在不同位置，证明时间编程在复杂变形中的应用潜力。研究总结与展望该工作开发了具有正交动态交联的3D自主形变水凝胶，结合了光响应性二硫键交联的可塑性和离子交联的时间可编程性。通过调节离子交联键，实现了大时间窗口内的形状恢复动力学操纵，为通过改变变形时间调整变形速度提供了基础。时间编程允许无触发方式控制变形行为，光塑性和时间可编程性的结合为制造新型变形装置提供了机会，这些装置与最常见的刺激响应性装置截然不同。