光と電場によって制御されるヒドロゲルの移動

2023年8月22日の特集

この記事は、Science X の編集プロセスとポリシーに従ってレビューされています。 編集者は、コンテンツの信頼性を確保しながら、次の属性を強調しました。

事実確認済み

査読済みの出版物

信頼できる情報源

校正する

Thamarasee Jeewandara、Phys.org 著

材料科学者は、刺激に応答した作動を超えて機能する自律的な材料の開発を目指しています。 Science Advances の新しいレポートの中で、Yang Yang と米国ノースウェスタン大学生物インスピレーションエネルギー科学センターの研究チームは、貨物を捕捉して配送し、返送時に障害物を回避するための光および電気活性化ヒドロゲルを開発しました。

これを達成するために、彼らはヒドロゲル内に 2 つのスピロピラン モノマー (光スイッチ可能な材料) を使用して、光制御された電荷反転と一定の電場下での自律的な動作を実現しました。 光/電気活性材料は、分子スケールでインテリジェントな材料を開発するために、一定の外部刺激に基づいてタスクを自律的に実行できます。

本物のような機能を備えたソフトマテリアルは、複雑な動的環境におけるインテリジェントなロボット材料として、ヒューマンマシンインターフェースや生物医学機器において重要な応用が期待されています。 Yangらは、可視光と印加された電気の継続的な刺激に基づいて、貨物を捕捉して配送し、障害物を回避し、出発地点に戻るための光活性化および電気活性化ヒドロゲルを設計した。 これらの一定の条件は、ヒドロゲルを誘導するためのエネルギーを提供しました。

研究チームは、柔軟な材料の正味電荷を制御するために、さまざまな置換基を持つスピロピラン部分を構造物に共有結合的に組み込みました。 彼らは有限要素シミュレーションを使用して、帯電ヒドロゲルの設計と動作をガイドし、誘電泳動効果を最大化するために 3D 表面プロファイルを設計しました。 ヤン氏とチームは、スピロピランヒドロゲルにおける電気活性移動と光作動の範囲をさらに研究した。

Yangらは、異なる正味電荷を持つ2つの異なるスピロピラン分子を使用した。 彼らは、既存の報告に基づいて、重合可能なメタクリレート基を有する各分子を合成した。

彼らは、スピロピラン分子を異なる比率で N-イソプロピルアクリルアミドポリマー鎖 (PNIPAM) に組み込み、ヒドロゲルを形成しました。 この例では、スピロピラン構造単位の共重合体を使用して電荷反転機能を調整し、光スイッチ可能な電位と、調整可能な電荷による電荷可逆挙動を示しました。 研究者らは、スイッチング速度と回復速度を変えることなく、2 つのスピロピラン部分の比率を変更することで、電荷反転時間を調整しました。

ポリマーの電荷反転挙動に基づいて、Yang のチームは、電気活性ヒドロゲルを調製するために架橋剤を使用することにより、電気活性ヒドロゲルを光制御した。

まず、研究チームはヒドロゲルを正に帯電させて直流電場下で陰極に向かって移動させることができ、そこで正電荷がスピロピラン部分からヒドロゲルネットワークに移動した。 その後、ポリマー鎖上の永久結合スルホン酸基により、構造体の正味電荷がマイナスになり、マイナスに帯電したヒドロゲルがアノードに戻ることが可能になります。

研究チームは、ハイドロゲルディスクの移動速度を調べるために複数の明暗サイクルにわたる光制御された電気活性移動速度を研究し、ハイドロゲルディスクの電荷と速度の関係を決定した。 彼らはこれを静電力と流体抵抗力の間のバランスに基づいており、印加電圧が高く、ヒドロゲルディスクの直径が大きいほど、移動速度が速くなります。 このような高分子デバイスは、自律狩猟による貨物の捕獲と配送に適しています。