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Biomimetic Gradient Hydrogel Actuators with Ultrafast Thermo-Responsiveness and High Strength

材料科学 自愈水凝胶 超短脉冲 执行机构 共聚物 丙烯酸 化学工程 人工肌肉 聚合物 纳米技术 复合材料 高分子化学 计算机科学 激光器 人工智能 工程类 物理 光学
作者
Yuxi Li,Licheng Liu,Hao Xu,Zhihan Cheng,Jianhui Yan,Xu‐Ming Xie
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (28): 32541-32550 被引量:74
标识
DOI:10.1021/acsami.2c07631
摘要

Most current hydrogel actuators suffer from either poor mechanical properties or limited responsiveness. Also, the widely used thermo-responsive poly-(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) homopolymer hydrogels have a slow response rate. Thus, it remains a challenge to fabricate thermo-responsive hydrogel actuators with both excellent mechanical and responsive properties. Herein, ultrafast thermo-responsive VSNPs-P(NIPAM-co-AA) hydrogels containing multivalent vinyl functionalized silica nanoparticles (VSNPs) are fabricated. The ultrafast thermo-responsiveness is due to the mobile polymer chains grafted from the surfaces of the VSNPs, which can facilitate hydrophobic aggregation, inducing the phase transition and generating water transport channels for quick water expulsion. In addition, the copolymerization of NIPAM with acrylic acid (AA) decreases the transition temperature of the thermo-responsive PNIPAM-based hydrogels, contributing to ultrafast thermo-responsive shrinking behavior with a large volume change of as high as 72.5%. Moreover, inspired by nature, intelligent hydrogel actuators with gradient structure can be facilely prepared through self-healing between the ultrafast thermo-responsive VSNPs-P(NIPAM-co-AA) hydrogel layers and high-strength VSNPs-PAA-Fe3+ multibond network (MBN) hydrogel layers. The obtained well-integrated gradient hydrogel actuators show ultrafast thermo-responsive performance within only 9 s in 60 °C water, as well as high strength, and can be used for more practical applications as intelligent soft actuators or artificial robots.
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