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異丙基丙烯酰胺（n異丙基丙烯酰胺溫敏原理）
智能材料可以通過自主改變其結(jié)構(gòu)、特性和功能來迅速響應(yīng)周圍環(huán)境的變化，近年來受到了研究者越來越多的關(guān)注。聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）是一種具有低臨界溶解溫度（LCST）的溫敏性聚合物 ?；谒苽涞腜NIPAM基水凝膠的體積、透光度及親水性等具有溫度可調(diào)性，是一種廣泛使用的刺激響應(yīng)性智能材料，在智能驅(qū)動(dòng)、光學(xué)、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值（圖1）。近期，天津大學(xué)材料學(xué)院封偉教授團(tuán)隊(duì)全面綜述了PNIPAM基智能水凝膠在智能驅(qū)動(dòng)器、光子晶體、智能窗戶、藥物輸送及組織工程等領(lǐng)域的相關(guān)研究，以《Poly(N-isopropylacrylamide)-based Smart Hydrogels: Design, Properties and Applications》為題發(fā)表在Progress in Materials Science雜志上（DOI:
10.1016/j.pmatsci.2020.100702）。內(nèi)容主要包括以下幾部分：
圖1.利用PNIPAM基智能水凝膠的溫敏性，PNIPAM基智能水凝膠在智能驅(qū)動(dòng)器、光學(xué)及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。
1.PNIPAM基水凝膠智能驅(qū)動(dòng)器
當(dāng)環(huán)境的溫度在LCST特征溫度附近變化時(shí)，PNIPAM基水凝膠可以吸水溶脹和脫水收縮，從而發(fā)生明顯的體積變化。當(dāng)體系具有不均勻的溶脹與收縮時(shí)，PNIPAM基智能水凝膠可以產(chǎn)生宏觀的彎曲、折疊、扭曲等形變。目前，利用PNIPAM基水凝膠制備的智能驅(qū)動(dòng)器可以分為以下幾大類：雙層結(jié)構(gòu)，梯度結(jié)構(gòu)，圖案化結(jié)構(gòu)及局部刺激等（圖2）。
圖2.PNIPAM基智能水凝膠驅(qū)動(dòng)器的種類：雙層結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)、圖案化結(jié)構(gòu)及局部刺激
1.1.雙層結(jié)構(gòu)
雙層PNIPAM基水凝膠驅(qū)動(dòng)器的一層為PNIPAM基水凝膠，另一層可以為水凝膠材料，也可為非凝膠材料。在溫度刺激下，兩層之間的膨脹/收縮性不同，導(dǎo)致一層的膨脹/收縮會(huì)受到另一層的約束。因此，其中一層材料會(huì)受到拉伸力，而另一層會(huì)受到壓縮力，雙層材料會(huì)通過彎曲等運(yùn)動(dòng)來釋放內(nèi)應(yīng)力。目前，PAAm,PCL,TPU,PDMS等材料均可以與PNIPAM基水凝膠構(gòu)建雙層結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)彎曲形變。除此之外，通過加入其它功能性材料（如熒光材料），在實(shí)現(xiàn)彎曲形變的同時(shí)還可以獲得顏色變化和形狀記憶等功能。
1.2.梯度結(jié)構(gòu)
在單層的PNIPAM基智能水凝膠中構(gòu)建具有梯度分布的聚合物鏈、交聯(lián)密度、填充物或孔隙，也可以實(shí)現(xiàn)不均勻的溶脹與收縮，從而引起形狀變化。如圖3所示，利用光在材料中有限的穿透能力及物質(zhì)在電場(chǎng)、磁場(chǎng)、沉淀、離心和自然滲透過程中的運(yùn)動(dòng)，可以在單層PNIPAM基水凝膠中構(gòu)建這類梯度結(jié)構(gòu) 。
圖3.利用光在材料中有限的穿透能力及物質(zhì)在電場(chǎng)、磁場(chǎng)等過程中的運(yùn)動(dòng)構(gòu)建單層PNIPAM基水凝膠梯度結(jié)構(gòu) 。
1.3.圖案化結(jié)構(gòu)
在自然界中，植物纖維器官通常由在基質(zhì)中形成圖案的細(xì)長(zhǎng)纖維構(gòu)成；當(dāng)環(huán)境濕度變化時(shí)，基質(zhì)和纖維之間的膨脹差異性將導(dǎo)致植物器官發(fā)生形狀變化。受到這一結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究者在單層PNIPAM基水凝膠面內(nèi)構(gòu)建了具有不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的區(qū)域。當(dāng)溫度變化時(shí)，這些具有不同結(jié)構(gòu)的區(qū)域在面內(nèi)會(huì)產(chǎn)生非均勻的溶脹與收縮，從而引發(fā)形變。
1.4.局部刺激
對(duì)于具有均勻結(jié)構(gòu)的PNIPAM基水凝膠，施加不均勻的外部刺激也可以實(shí)現(xiàn)不均勻的溶脹與收縮。由于這種不均勻的溶脹與收縮主要依賴于外部刺激的施加的方式，理論上，通過改變外部刺激模式可以使同一個(gè)樣品發(fā)生無數(shù)次不同的形變。
2.PNIPAM基水凝膠的光學(xué)應(yīng)用
光學(xué)材料可以利用吸收、散射、反射、干涉等物理現(xiàn)象來操縱光，從而顯示出獨(dú)特的光學(xué)特性。在溫度刺激下，PNIPAM基水凝膠會(huì)發(fā)生體積與透光性的變化，使其在光子晶體、智能窗戶等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。

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