港大徐立之團隊 ACS Nano：可光熱融合的強韌磁性水凝膠
2023-05-07 來源：高分子科技
能夠對磁場響應轉化的水凝膠在柔性致動器和生物醫學機器人方面具有巨大的應用前景。然而，在磁性水凝膠中實現高機械強度和良好的可制造性仍然具有挑戰性。
圖一介紹了基于超連通ANF復合材料衍生的堅韌和可拉伸磁性水凝膠。為了大規模制備具有理想性能的復合水凝膠，采用逐步組裝的策略（圖1a）。掃描電子顯微鏡展示四氧化三鐵納米顆粒附著于納米纖維上，并沒有出現明顯的粒子集聚或對于三維互聯網絡結構的改變（圖1c-d）。此外，由于四氧化三鐵納米顆粒固有的超順磁性和光熱性質，ANF-Fe3O4-PVA和ANF-PVA水凝膠可以進一步利用近紅外焊接形成可定制的磁響應異質結結構（圖1e-g）
圖二表征了ANF-Fe3O4-PVA水凝膠的機械性能。由于具有混合納米纖維網絡，ANF-Fe3O4-PVA水凝膠具有較高的力學強度和可拉伸性（圖2a-b）。為了定量分析其力學性能，對純ANF-PVA水凝膠和不同濃度納米顆粒的ANF-Fe3O4-PVA水凝膠進行了拉伸和壓縮測試（表S2）。磁性復合水凝膠表現出高強度（1.32-2.4 MPa）和可伸縮性（53.3%-66.6%），與純ANF-PVA水凝膠類似（圖2c-e）。
圖三探究了近紅外（NIR）激光焊接。在最大功率為0.5W的NIR激光輻照下，水凝膠ANF-Fe3O4-PVA-1（7.3 wt％ 四氧化三鐵納米顆粒）的溫度在5秒鐘內升至470°C（圖3a）。可用于焊接分離的水凝膠條帶并實現高效的愈合效果（圖3b-c）。這類高效升溫過程可以歸因于四氧化三鐵納米顆粒在納米纖維表面的高密度分布（圖3d-f）。在NIR照射下，升高的溫度提高了高分子復合材料的流動性以促進連接和融合。
這種基于芳綸材料的焊接和修復方法有助于改進器件制造和材料回收利用（圖4）。異質焊接的策略提供了一種可定制、模塊化的方法，可以將具有不同功能的各種組件整合在一起。
圖5展示了軟致動器的應用。對于ANF-Fe3O4-PVA水凝膠，由于它們的光熱焊接性能，它們可以與非磁性的ANF-PVA水凝膠集成，通過混合結構實現調制、可控的致動模式（圖5a）。通過不同的焊接模式，致動器表現出不同的變形（圖5c-e）。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c03156
課題組網頁：xulizhi.hku.hk
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（責任編輯：xu）
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