Programming Hydrogen Bonds for Reversible Elastic‐Plastic Phase Transition in a Conductive Stretchable Hydrogel Actuator with Rapid Ultra‐High‐Density Energy Conversion and Multiple Sensory Properties

材料科学 执行机构 导电体 复合材料 氢键 相变 相(物质) 能量密度 人工肌肉 纳米技术 弹性能 储能 化学物理 凝聚态物理 工程物理 分子 热力学 有机化学 电气工程 物理 工程类 功率(物理) 化学
作者
Ping Guo,Zhaoxin Zhang,Chengnan Qian,Ruofei Wang,Lin Cheng,Ye Tian,Huaping Wu,Shuze Zhu,Aiping Liu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (46): e2410324-e2410324 被引量:32
标识
DOI:10.1002/adma.202410324
摘要

Abstract Smart hydrogels have recently garnered significant attention in the fields of actuators, human‐machine interaction, and soft robotics. However, when constructing large‐scale actuated systems, they usually exhibit limited actuation forces (≈2 kPa) and actuation speeds. Drawing inspiration from hairspring energy conversion mechanism, an elasticity‐plasticity‐controllable composite hydrogel (PCTA) with robust contraction capabilities is developed. By precisely manipulating intermolecular and intramolecular hydrogen‐bonding interactions, the material's elasticity and plasticity can be programmed to facilitate efficient energy storage and release. The proposed mechanism enables rapid generation of high contraction forces (900 kPa) at ultra‐high working densities (0.96 MJ m −3 ). Molecular dynamics simulations reveal that modifications in the number and nature of hydrogen bonds lead to a distinct elastic‐plastic transition in hydrogels. Furthermore, the conductive PCTA hydrogel exhibits multimodal sensing capabilities including stretchable strain sensing with a wide sensing range (1–200%), fast response time (180 ms), and excellent linearity of the output signal. Moreover, it demonstrates exceptional temperature and humidity sensing capabilities with high detection accuracy. The strong actuation power and real‐time sensory feedback from the composite hydrogels are expected to inspire novel flexible driving materials and intelligent sensing systems.
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