重磅《nature nanotechnology》中国学生一作：水凝胶纤维！
高性能驱动材料对于机器人技术、假肢和智能服装的进步是必要的。在这里，我们报告了一类结合了溶液相嵌段共聚物自组装和应变程序结晶的纤维致动器。致动器由高度排列的纳米级结构组成，具有交替的结晶域和无定形域，类似于哺乳动物骨骼肌的有序和条纹图案。与目前的驱动器相比，所报道的纳米结构嵌段共聚物肌肉在几个方面都表现出色，包括效率（75.5%）、驱动应变（80%）和机械性能（例如，高达 900% 的断裂应变和高达 900% 的韧性） 121.2 兆焦耳米- 3）。纤维表现出开/关旋转驱动，峰值转速为 450 rpm 此外，报告的纤维表现出多触发驱动（热和水合），提供可切换的机械性能和各种操作模式。聚合物纤维的多功能性和可回收性，结合简便的制造方法，为使用嵌段共聚物制造多功能和可回收执行器开辟了新途径。
图文简介
通过由自组装ABA三嵌段共聚物制成的水凝胶的SPC制造纤维。a , 描述了 SOS 纤维的人工模型和肌肉肌原纤维的生物模型之间的纤维制备过程和结构比较的方案。b，一种 1 米长的水凝胶纤维，使用 SOS 三嵌段共聚物通过快速注射工艺制成。A 端嵌段为玻璃状而 B 中间嵌段为半结晶的 ABA 型聚合物链结构对于制造机械坚固的水凝胶纤维50、51是必不可少的。c，冷冻干燥的水凝胶纤维的 SEM 图像，它在微米尺度上表现出相互连接的细胞网络结构。d，水凝胶纤维的 SAXS 数据使用球形因子和 Percus-Yevick 结构因子37建模，它表示纳米尺度上无序球体的结构。q，散射矢量（Å -1）。e，SOS 微凝胶的 TEM 图像，显示自组装过程产生的无序球体。f，DIC图像显示1×-5×纤维在应变条件下结晶后是均匀的，并且随着伸长率的增加，纤维的排列沿纤维轴增加。
在这里，我们报告了一种开发纳米结构驱动材料的创新策略，该材料与哺乳动物骨骼肌纤维的结构和功能有着惊人的相似之处。通过使用纳米结构的嵌段共聚物，可以实现可逆和可回收的聚合物致动器。溶液相嵌段共聚物自组装和随后的应变程序结晶（SPC）的结合被用来制造一类新的高性能软致动器/人造肌肉纤维。尚未报道的卓越驱动效率、驱动应变和机械性能归因于高度对齐的纳米级纤维微观结构，其中包含交替的结晶和非晶域。
应变处理纤维的 SAXS 和 WAXS 表征表明该结构高度排列，由交替的结晶域和无定形域组成。a–d，二维 WAXS 散射结果表明，冷冻干燥的 ( a )、1x( b )、3x( c ) 和 5x( d ) 纤维表现出 O-block 晶体的衍射图案特征。纤维中的晶体取向随着伸长率的增加而增加。e , 不同应变下纤维的一维 WAXS 散射显示出相同的 O. f晶体单元结构,来自 2D WAXS 数据的方位角积分的一维散射剖面表明在晶胞水平上的晶体取向在纤维随着伸长率的增加而增加。G，从冷冻干燥到 5× 纤维，结晶度X c增加，晶面(120) 的赫尔曼取向因子f (120)从 0 减小到 -0.46，表明 (120) 晶面变为越来越平行于纤维方向。h，显示具有交替结晶域和无定形域的建议纤维结构的方案。i , j , 冻干纤维的二 SAXS 图案表明层状水平的晶体取向随着伸长率的增加而增加。k，域间距的变化和薄片的赫尔曼取向因子，f lam, 纤维随着伸长率的增加，表明晶体薄片的取向从冷冻干燥到 5× 纤维变得越来越垂直于纤维轴。
应变纤维表现出卓越的机械和驱动性能。a，纤维的应力与应变 (%) 结果显示断裂伸长率值降低，拉伸强度从 1 倍增加到 5 倍。应变率，3 min -1。b , 1×–5× 纤维的实验和模拟力学性能的比较。c，不同刺激下纤维的长度变化，其中加热导致收缩应变范围为 0% 到 ~80%，水合导致膨胀或收缩应变从约 -30% 到 70%。d , 2×–5× 纤维以水合作用为刺激产生的收缩驱动应力。e，当举起超过 5 倍纤维自身重量的 700 倍的重量（0.31 g）时，以水合作为刺激的纤维的驱动应变。f，与哺乳动物骨骼肌（39 J kg -1）相比，2×–5× 纤维的能量密度。这些值是根据提升 0.31 g 重量的纤维计算得出的。g，驱动前后5×纤维的照片。纤维底部的一个小重量用作视觉辅助，以帮助评估纤维收缩。5×纤维以水合和加热作为刺激产生大的驱动应变，但在驱动后表现出不同的机械性能。h , 加水时自动打开的雨伞。5× 纤维附着在伞骨上用于驱动。
应变纤维的可逆和旋转驱动特性。a，以加热为刺激，从固定长度的 5× 纤维产生可逆的收缩驱动应力。b，通过水蒸气对无定形区域的溶胀和去溶胀，从固定长度的 5× 纤维产生可逆的膨胀驱动应力。c，由加热和水蒸气控制的固定长度的 5× 纤维产生的交替收缩和膨胀驱动应力。d，显示由加热（T）和水蒸气（RH）触发的纤维可逆驱动行为机制的方案。e，每长度不同捻度的纤维的 SEM。F, SOS 纤维的旋转速度为每米 7,000 转，其中加热用作刺激。
受肌肉纤维结构和功能的启发，由 ABA 三嵌段共聚物制备了具有高度排列的交替无定形和结晶域的纤维致动器。A 和 B 嵌段的玻璃状和半结晶性质分别是模拟骨骼肌结构和功能所必需的，很容易转化为不同的聚合物成分，以满足特定应用的材料要求。纤维是使用两步法制造的，其中由快速注射加工制成的水凝胶纤维在应变下结晶以捕获低熵状态。由于缺乏化学交联，这些纤维是可回收的，但仍显示出优异的机械性能，其韧性可与蜘蛛丝相媲美。纤维还表现出特殊的驱动行为，其中驱动应变、压力、能量密度和能量效率不仅超过了天然肌肉纤维，而且还很容易调整。报道的纳米结构嵌段共聚物纤维表现出线性和旋转驱动运动，这些驱动运动是由三种不同的刺激（例如，水蒸气中的膨胀和加热或水合中的收缩/旋转）触发的。这种纤维的潜在应用包括手术机器人、智能衣服、触觉和触觉界面以及假肢。和加热或水合中的收缩/旋转）。这种纤维的潜在应用包括手术机器人、智能衣服、触觉和触觉界面以及假肢。
注：本文第一单位为华南理工软物质研究院
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