Tunable Sponge‐Like Hierarchically Porous Hydrogels with Simultaneously Enhanced Diffusivity and Mechanical Properties

自愈水凝胶 材料科学 肿胀 的 多孔性 聚合物 纳米技术 复合材料 聚丙烯酰胺 化学工程 微流控 扩散 韧性 高分子化学 热力学 物理 工程类
作者
Yousif Alsaid,Shuwang Wu,Dong Wu,Yingjie Du,Lingxia Shi,Roozbeh Khodambashi,Rossana Rico,Mutian Hua,Yichen Yan,Yusen Zhao,Daniel M. Aukes,Ximin He
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:33 (20): e2008235-e2008235 被引量:196
标识
DOI:10.1002/adma.202008235
摘要

Crosslinked polymers and gels are important in soft robotics, solar vapor generation, energy storage, drug delivery, catalysis, and biosensing. However, their attractive mass transport and volume-changing abilities are diffusion-limited, requiring miniaturization to avoid slow response. Typical approaches to improving diffusion in hydrogels sacrifice mechanical properties by increasing porosity or limit the total volumetric flux by directionally confining the pores. Despite tremendous efforts, simultaneous enhancement of diffusion and mechanical properties remains a long-standing challenge hindering broader practical applications of hydrogels. In this work, cononsolvency photopolymerization is developed as a universal approach to overcome this swelling-mechanical property trade-off. The as-synthesized poly(N-isopropylacrylamide) hydrogel, as an exemplary system, presents a unique open porous network with continuous microchannels, leading to record-high volumetric (de)swelling speeds, almost an order of magnitude higher than reported previously. This swelling enhancement comes with a simultaneous improvement in Young's modulus and toughness over conventional hydrogels fabricated in pure solvents. The resulting fast mass transport enables in-air operation of the hydrogel via rapid water replenishment and ultrafast actuation. The method is compatible with 3D printing. The generalizability is demonstrated by extending the technique to poly(N-tertbutylacrylamide-co-polyacrylamide) and polyacrylamide hydrogels, non-temperature-responsive polymer systems, validating the present hypothesis that cononsolvency is a generic phenomenon driven by competitive adsorption.
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