(Phys.org)—In de natuur, sommige organismen gebruiken vervormingen om driedimensionale beweging te creëren. Een voorbeeld is de Venus-vliegenval, die zijn bladeren opent en sluit om prooien te vangen. Wanneer geopend, de bladeren zijn hol, maar gesloten zijn de bladeren bol. Wetenschappers zijn geïnteresseerd in het nabootsen van gecontroleerde vervormingen voor toepassingen in zachte elektronica of actuatoren.

Onderzoekers van de Zhejiang University in China, Staatsuniversiteit van Iowa, en Hokkadio University in Japan hebben hydrogels met periodiek patroon gebruikt om het soort coöperatieve vervormingen in de natuur na te bootsen. Deze hydrogels vervormen spontaan tot driedimensionale concave en convexe configuraties die worden geleid door coöperatieve effecten van de naaste buren. Hun werk verschijnt in wetenschappelijke vooruitgang .

Hydrogels zijn flexibele polymeren die water absorberen, waarvan sommige sterk opzwellen, terwijl andere laag of niet-zwellend zijn. Voor deze studie is Wang, et al. gebruikte fotolithografie om een ​​tweestaps fotopolymerisatieproces uit te voeren om een ​​tweedimensionale reeks alternerende hydrogels te creëren. Ze begonnen met het plaatsen van PAAm, een niet-zwellende gel, in een bepaald patroon waarbij een deel van de gel wordt blootgesteld aan UV-licht. Vervolgens, een sterk opzwellende gel, P(AAm-co-AMPS), werd over de nieuw gevormde niet-zwellende gel gelegd, die vervolgens werd blootgesteld aan UV-licht. Hierdoor ontstond een afwisselend patroon van twee gels die bij zwelling, resulteerde in afwisselende concave en convexe vervormingen in de sterk gezwollen gelschijven.

Vervorming treedt op omdat gebieden met een hoge zwelling worden beperkt door de niet-zwellende gebieden, waardoor de gebieden met een hoge zwelling gaan knikken. Om wereldwijde elastische energie te minimaliseren, de hoge zwellingsgebieden wisselen concave en convexe vervormingen af. Het afwisselende patroon tussen de schijven met hoge zwelling vertoonde een coöperatief effect doordat naburige schijven met hoge zwelling leken te "weten" of hun buren concaaf of convex waren.

Om de coöperatieve effecten van de hydrogelschijven te begrijpen, Wang et al. gevarieerde afstand tussen de schijven en de schijfradius van hun gels. Ze ontdekten dat om coöperatieve effecten te zien, er is een bepaalde speciale afstand, de coöperatieve afstand genoemd, waarbij de hydrogelschijfdomeinen coöperatief worden. Bij lengtes groter dan deze afstand, ze hebben geen coöperatieve effecten waargenomen.

De aard van deze vervormingen, inclusief de coöperatieve afstand, kan worden gecontroleerd door verschillende factoren te wijzigen. Voor een, de straal van de afzonderlijke schijven met hoge zwelling beïnvloedt de coöperatieve afstand. Verder, verschillen tussen het zwelvermogen van de hydrogels kunnen het geometrische patroon veranderen. Als de hydrogels geen grote zwellingsmismatch vertonen, dan vormen ze een ruitvormig patroon met de hoogzwellende schijf in het midden omringd door vier niet-zwellende schijven. Als de gels een grote zwellingsmismatch hebben, dan vormen de niet-zwellende schijven een driehoekige geometrie rond de sterk zwellende schijven.

Deze geometrieën kunnen worden gecontroleerd door het ionische karakter van de oplosmiddeloplossing te veranderen. Bijvoorbeeld, een hexagonaal gerangschikte patroongel met een schijfstraal van 5 mm en een afstand tussen schijven als 15 mm, vertoonde driehoekige vervorming wanneer gezwollen met zuiver water. Echter, wanneer 0,15 M NaCl werd gebruikt, het hydrogelvel werd platgedrukt. Het toonde een ruitvorm wanneer 0,02 M NaCl werd gebruikt.

Aanvullend, Wang et al. toonde aan dat je lokale gebieden van de hydrogel kunt manipuleren door selectieve pre-zwelling te doen. Dit wordt gedaan door te maskeren dat sommige schijven in contact komen met water of een zoutoplossing, wat ertoe leidt dat de niet-gemaskeerde gebieden opzwellen, terwijl de gemaskeerde gebieden dat niet doen.

Met behulp van verschillend gevormde maskers, de auteurs toonden aan dat het veranderen van de vorm van de individuele hydrogelschijven in vierkanten of ellipsen de gelokaliseerde knikvorm veranderde. Echter, de gels behielden nog steeds hun coöperatieve effecten. Hun studies toonden aan dat door de hydrogelpatronen aan te passen, men kan complexe coöperatieve vervormingen verkrijgen.

als laatste, de auteurs beschouwden de periodiciteit van hun hydrogels met patronen. Dispersieperiodiciteit kan worden gewijzigd door verschillende gels in lagen aan te brengen met verschillende maskers. In deze krant, PAAc en P(PAAm-co-VI), schijven werden in P(AAm-co-AMPS) gel geplaatst. Deze gels reageerden verschillend bij verschillende pH. Twee van de gels zwollen op bij pH 2, het concaaf-convexe patroon vormen. Bij een pH van 10, een van de gezwollen schijven is niet gezwollen, terwijl de andere twee dat deden. Dit door stimulus veroorzaakte coöperatieve vervormingspatroon was relatief omkeerbaar en kan verder worden aangepast met behulp van verschillende hydrogels.

Dit werk demonstreert het idee van coöperatieve vervorming met behulp van hydrogels met periodiek patroon, het leveren van een proof-of-concept dat algemeen toepasbaar zou moeten zijn op andere materialen.

© 2017 Fys.org