빛과 전기장에 의해 조절되는 하이드로겔 운동

2023년 8월 22일 특집

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작성자: Thamarasee Jeewandara, Phys.org

재료 과학자들은 자극 반응 작동 이상의 기능을 하는 자율 재료를 개발하는 것을 목표로 합니다. Science Advances의 새로운 보고서에서 Yang Yang과 미국 노스웨스턴 대학의 생물 영감 에너지 과학 센터 연구팀은 화물을 포착 및 전달하고 돌아올 때 장애물을 피할 수 있는 광 활성화 및 전기 활성화 하이드로겔을 개발했습니다.

이를 달성하기 위해 그들은 일정한 전기장 하에서 광조절된 전하 반전 및 자율적 행동을 위해 하이드로겔에 두 개의 스피로피란 단량체(광전환 가능 물질)를 사용했습니다. 광전기활성물질은 지속적인 외부 자극에 따라 자율적으로 작업을 수행해 분자 수준의 지능형 물질을 개발할 수 있다.

실물과 같은 기능을 갖춘 부드러운 소재는 인간-기계 인터페이스 및 생체 의학 장치에서 중요한 의미를 지닌 복잡한 동적 환경에서 지능형 로봇 소재로 유망한 응용 분야를 가지고 있습니다. Yang과 동료들은 가시광선과 인가된 전기의 지속적인 자극을 기반으로 화물을 포착 및 전달하고, 장애물을 피하고, 출발 지점으로 돌아갈 수 있는 광 활성화 및 전기 활성화 하이드로겔을 설계했습니다. 이러한 일정한 조건은 하이드로겔을 안내하는 에너지를 제공했습니다.

연구팀은 연성 물질의 순 전하를 조절하기 위해 다양한 치환기를 갖는 스피로피란 부분을 구조물에 공유결합으로 통합했습니다. 그들은 유한 요소 시뮬레이션을 사용하여 대전된 하이드로겔의 설계 및 이동을 안내하고 유전 영동 효과를 극대화하기 위해 3D 표면 프로파일을 설계했습니다. Yang과 팀은 스피로피란 하이드로겔의 전기 활성 이동 및 광작동 범위를 추가로 연구했습니다.

Yang과 동료들은 서로 다른 순전하를 갖는 두 개의 서로 다른 스피로피란 분자를 사용했습니다. 그들은 기존 보고서를 기반으로 중합 가능한 메타크릴레이트 그룹을 사용하여 각 분자를 합성했습니다.

그들은 스피로피란 분자의 다양한 비율을 N-이소프로필아크릴아미드 중합체 사슬(PNIPAM)에 통합하여 하이드로겔을 형성했습니다. 이 경우, 그들은 스피로피란 구조 단위의 공중합체를 사용하여 전하 반전 기능을 조정하여 조정 가능한 전하를 가진 광전환 전위 및 전하 가역 동작을 보여주었습니다. 과학자들은 전환 및 복구 속도를 변경하지 않고 두 스피로피란 부분의 비율을 변경하여 전하 반전 시간을 조정했습니다.

폴리머의 전하 반전 거동을 기반으로 Yang 팀은 가교제를 사용하여 전기활성 하이드로겔을 준비함으로써 전기활성 하이드로겔을 광조절했습니다.

처음에 연구팀은 직류 전기장 하에서 하이드로겔을 양전하로 충전하여 음극 쪽으로 이동할 수 있었으며, 여기서 양전하는 스피로피란 부분에서 하이드로겔 네트워크로 이동했습니다. 그 후, 폴리머 사슬에 영구적으로 결합된 설포네이트 그룹은 구조의 순 전하를 음으로 만들어 음으로 하전된 하이드로겔이 양극으로 다시 이동할 수 있도록 했습니다.

팀은 여러 명암 주기에 걸쳐 하이드로겔 디스크의 광조절된 전기 활성 이동 속도를 연구하여 운동 속도를 조사하고 하이드로겔 디스크의 전하와 속도 사이의 관계를 결정했습니다. 그들은 이것을 정전기력과 유체역학적 항력 사이의 균형에 기반을 두었습니다. 여기서 더 높은 인가 전압과 더 큰 직경의 하이드로겔 디스크는 더 높은 운동 속도를 제공했습니다. 이러한 고분자 장치는 자율 사냥을 통해 화물을 포획하고 전달하는 데 매우 적합합니다.