大部分生物组织呈现凝胶状态并具有各项异性结构，在生物体的变形及运动中发挥了重要作用。制备含有各项异性结构的水凝胶并赋予其可控变形及运动功能具有重要的科学意义。目前，采用剪切、拉伸、电场等方法诱导取向可以制备含有单一取向结构的水凝胶。这些凝胶在外界刺激下，表现出各向异性的响应性。但是，制备含有复杂取向结构、多种响应性的水凝胶及其软驱动器仍存在挑战。浙江大学高分子系郑强、吴子良团队与拜罗伊特大学Josef Breu教授、浙江大学机械工程学院赵鹏教授合作，采用多步旋转磁场诱导纳米片取向以及光模板引导局部聚合的方法，制备了含有复杂取向结构的纳米复合水凝胶，实现了多种刺激下的可控变形以及模式可调节的定向运动。
采用的磁性纳米片具有特殊的三明治结构，纳米片表面含有高密度电荷，夹层为具有超顺磁性和光热转化能力的γ-Fe2O3纳米粒子。在静态磁场作用下，纳米片沿着磁轴方向取向，聚合后得到各向异性水凝胶。进一步采用旋转磁场诱导纳米片沿着磁场旋转平面取向，得到具有高度取向结构的纳米复合水凝胶。在温度和光照射刺激下，该水凝胶会发生各项异性伸缩变形。
通过多步磁场取向与光聚合，制备了含有复杂取向结构的纳米复合水凝胶，在偏光显微镜下呈现出不同颜色的双折射图案。通过调节偏光板、530 nm检板与图案化水凝胶的相对位置，可以在偏光显微镜下观察到不同的双折射图案，实现图案和数字信息的隐藏与选择性显示。在外界刺激下，不同局部的响应性差异导致内部应力的形成，图案化水凝胶发生三维变形。
利用图案化水凝胶的多响应性及可控变形的特点，采用磁场调节凝胶与基板之间的摩擦力，进一步通过动态光扫射驱动水凝胶在基板上进行不同模式的定向运动。该研究表明，通过磁场诱导取向与光模板引导局部聚合相结合的方法，可在水凝胶构筑复杂、可控的取向结构，在外界刺激下实现可控变形及定向运动。该方法适用于其他磁性粒子，有助于新型软驱动器、软机器人的发展。
论文信息及链接：
Chen Fei Dai, Olena Khoruzhenko, Chengqian Zhang, Qing Li Zhu, Dejin Jiao, Miao Du, Josef Breu*, Peng Zhao*, Qiang Zheng*, Zi Liang Wu*, Magneto-Orientation of Magnetic Double Stacks for Patterned Anisotropic Hydrogels with Multiple Responses and Modulable Motions, Angew. Chem. Int. Ed.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202207272
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