(Phys.org) - I naturen, vissa organismer använder deformationer för att skapa tredimensionella rörelser. Ett exempel är Venus flugfälla, som öppnar och stänger sina löv för att fånga byten. När den är öppen, bladen är konkava, men när de är stängda är bladen konvexa. Forskare är intresserade av att efterlikna kontrollerade deformationer för applikationer inom mjuk elektronik eller ställdon.

Forskare från Zhejiang University i Kina, Iowa State University, och Hokkadio University i Japan har använt periodiskt mönstrade hydrogeler för att efterlikna den typ av kooperativa deformationer som ses i naturen. Dessa hydrogeler deformeras spontant till tredimensionella konkava och konvexa konfigurationer som styrs av kooperativa effekter från närmaste granne. Deras arbete dyker upp i Vetenskapliga framsteg .

Hydrogeler är flexibla polymerer som absorberar vatten, varav några är svullna medan andra är låg- eller icke-svullna. För denna studie, Wang, et al. använde fotolitografi för att göra en tvåstegs fotopolymerisationsprocess för att skapa en tvådimensionell uppsättning alternerande hydrogeler. De började med att placera PAAm, en icke-svällande gel, i ett visst mönster där en del av gelén exponeras för UV -ljus. Sedan, en svällande gel, P (AAm-co-AMPS), var överlagrad på den nymönstrade icke-svällande gelén, som sedan utsattes för UV -ljus. Detta skapade ett växlande mönster av två geler som vid svullnad, resulterade i alternerande konkava och konvexa deformationer i de högsvällande gelskivorna.

Deformation uppstår eftersom regioner med hög svullnad begränsas av de icke-svällande regionerna som får de högsvällande områdena att spännas. För att minimera global elastisk energi, regionerna med hög svullnad växlar mellan konkava och konvexa deformationer. Det växlande mönstret bland de högsvällande skivorna visade en samverkande effekt genom att angränsande högsvällande skivor verkade "veta" om deras grannar var konkava eller konvexa.

För att förstå de kooperativa effekterna av hydrogelskivorna, Wang et al. varierat avstånd mellan skivor samt skivradien för deras geler. De fann att för att se kooperativa effekter, det finns ett visst speciellt avstånd, kallade kooperativ distans, vid vilka hydrogelskivdomänerna blir kooperativa. Vid längder som är större än detta avstånd, de observerade inte kooperativa effekter.

Arten av dessa deformationer, inklusive kooperativ distans, kan kontrolleras genom att modifiera flera faktorer. För en, radien för de enskilda högsvällande skivorna påverkar kooperativa avståndet. Vidare, skillnader mellan hydrogelernas svällningsförmåga kan förändra det geometriska mönstret. Om hydrogelerna inte uppvisar en stor svullnad, då kommer de att bilda ett rombiskt mönster med den högsvällande skivan i mitten omgiven av fyra icke-svällande skivor. Om gelerna är a har en stor svullnad fel matchning, då bildar de icke-svällande skivorna en triangulär geometri runt de högsvällande skivorna.

Dessa geometrier kan kontrolleras genom att ändra den joniska karaktären hos lösningsmedelslösningen. Till exempel, en hexagonalt anordnad mönstrad gel med en skivradie på 5 mm och avståndet mellan skivorna som 15 mm, visade triangelformad deformation när den svullnade med rent vatten. Dock, när 0,15 M NaCl användes, hydrogelarket plattat. Det visade en rombform när 0,02 M NaCl användes.

Dessutom, Wang et al. visade att du kan manipulera lokala delar av hydrogeln genom att göra selektiv försvullnad. Detta görs genom att maskera några av skivorna från att komma i kontakt med vatten eller saltlösning, vilket resulterar i att de icke-maskerade områdena svullnar medan de maskerade inte gör det.

Med olika formade masker, författarna visade att förändring av formen på de enskilda hydrogelskivorna till rutor eller ellipser förändrade den lokaliserade knäckformen. Dock, gelerna behöll fortfarande sina kooperativa effekter. Deras studier visade att genom att skräddarsy hydrogelmönstren, man kan få komplexa kooperativa deformationer.

Slutligen, författarna övervägde periodiciteten hos sina mönstrade hydrogeler. Dispersionsperiodicitet kan ändras genom att lagra olika geler med olika masker. I det här pappret, PAAc och P (PAAm-co-VI), skivor placerades i P (AAm-co-AMPS) gel. Dessa geler reagerade olika vid olika pH. Två av gelerna svällde vid pH 2, bildar det konkava konvexa mönstret. Vid ett pH 10, en av de svullna skivorna svullnade inte, medan de andra två gjorde. Detta stimulansutlösta kooperativa deformationsmönster var relativt reversibelt och kan skräddarsys ytterligare med olika hydrogeler.

Detta arbete visar idén om kooperativ deformation med periodiskt mönstrade hydrogeler, tillhandahålla ett proof-of-concept som bör vara allmänt tillämpligt på annat material.

© 2017 Phys.org