电场和磁场响应的智能高分子材料

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1、第20卷第3期生命科学Vol.20,No.32008年6月ChineseBulletinofLifeSciencesJun.,2008文章编号：1004-0374(2008)03-0369-06电场和磁场响应的智能高分子材料*MiklésZRíNYI1，刘明杰2译述(1DepartmentofPhysicalChemistryandMaterialsScience,BudapestUniversityofTechnologyandEconomics,Hungary;2国家纳米科学中心，北京100190)摘　要：过去的几年里，人们开始对新型智能材料的开发产生了极大的兴趣。这些新型的智能材

2、料包括生物材料、自组装材料、复集合流体材料以及高分子凝胶等；但是人们发现还没有哪种智能材料能像高分子凝胶智能材料那样可以对多重的外场刺激产生响应。这些外场刺激通常包括温度、溶剂、pH值、离子、分子、光、电、磁等。同时这种材料对外场响应时可以产生多种变化，包括体积的膨胀收缩、力学性能的变化、光电性质的变化等。在过去的时间里，人们已经在智能高分子凝胶领域取得了重要的进展。具有电磁响应的胶体粒子能够与高分子凝胶形成复合物。这些胶体粒子可以使高分子凝胶在外场刺激时发生形变。当施加电场或磁场时，高分子凝胶的形状发生变化，当撤去外场时，形状回复原样。基于这些特点，电磁响应的智能材料可以用来设计成新

3、型的驱动器、阀、马达，以及药物输运装置。关键词：电场；磁场；智能材料中图分类号：TB383;N39文献标识码：A自然界中的生物体肌肉组织是生物进行运动和到驱动的效果。因此，设计和发展类似肌肉组织的内部多种生理活动的基础，可以通过本身的收缩而因形变而达到驱动效果的新型材料将成为一种新的使机体完成各种动作。肌肉主要由肌纤维组成，每需求。高分子凝胶是由液体和高分子网络构成，液根肌纤维又是由较小的肌原纤维组成的，而每根肌体被封闭在高分子网络内，由于液体和高分子网络原纤维，则由缠在一起的两种丝状蛋白质(肌凝蛋的柔和性以及对周围环境变化的响应性，使高分子白和肌动蛋白)组成。人体的肌肉组织由80%的

4、液凝胶在人造肌肉材料的选择中，成为最佳的选择之体与20%的蛋白质组成，且具有非常好的弹性。从一。目前电场与磁场是最容易进行信号控制的手工程学的角度讲，肌肉是一种柔软的，包含液体段，因此，发展新型的能够对电场和磁场进行响应的，并且可以传递机械力的器件，它能够随着外界的高分子凝胶、高分子流变体等是我们目前重点发的刺激快速可逆的伸缩从而实现各种功能。展的方向。智能材料在外界环境或内部状态发生变化时能1　制备具有外场刺激响应性的聚合物材料对之做出适当的反应并能产生相应的动作，是可以把相互作用性很强并且具有电场、磁场响应性作为人造肌肉的驱动材料。目前可以用作人造肌肉的粒子填充到聚合物的网络中，所

5、形成的复合凝胶的材料主要有导电橡胶、导电高分子、压电陶瓷、称为外场响应性凝胶。聚合物网络应当是由具有流碳纳米管、高分子凝胶等。但由于材料本身的限制动性的高分子主链相互交联而成。填充的粒子通常使其均存在一定的缺陷，例如导电橡胶驱动电压太选用具有电场、磁场响应的材料。具有外场响应性大，导电高分子、压电陶瓷的形变量太小，水凝凝胶的制备方法与其他向高分子网络中填充物质的胶的响应速度太慢等等。目前人们致力于发展新型方法类似，一般有两种方法：一种是在高分子交联的人造肌肉材料，它应具备最基本的两个条件：(1)响应速度快；(2)可以方便地控制材料的驱动。收稿日期：2008-02-25现在的驱动材料大都

6、是依靠材料本身体积的变化来*原英文报告名:Magneticandelectricfieldresponsive实现驱动的，例如导电高分子、水凝胶、碳纳米softmaterials管等，而动物的肌肉组织通常都是因发生形变而达通讯作者：E-mail:zrinyi@mail.bme.hu370生命科学第20卷之前，交联过程中或交联之后使填充粒子原位的沉用，使凝胶的形状及其物理性质与外场刺激发生耦淀出来形成复合物：另一种方法则是先把功能性的合。这些具有外场响应性的凝胶可用来开发一些新胶体粒子制备出来，然后与聚合物的单体溶液混型的驱动器、传感器，以及可控的运输器件等。合，最后使其交联形成复合物。

7、填充的要点是一定如果把一个外场响应性凝胶置于外场中时，会要把胶体粒子均匀的填充到高分子网络中。当把聚存在两种相互作用，分别是外场–粒子间的相互作合物单体溶液与胶体粒子一起制备聚合物凝胶时，用以及粒子–粒子间的相互作用。如果外场不是均如何解决他们之间的相容性问题是一个难题。在材匀的即存在一定的梯度时，那么外场–粒子间的相料的制备过程中，也可以引入外场刺激，例如电互作用占主导地位，粒子会受到介电泳力或磁泳力场、磁场等，在这种情况下，聚合物网络中的胶