具有层状表面相互作用的胶体凝胶的表面形态、粘附力和摩擦力的控制,Advanced Functional Materials

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具有层状表面相互作用的胶体凝胶的表面形态、粘附力和摩擦力的控制
Advanced Functional Materials ( IF 18.5 ) Pub Date : 2023-04-06 , DOI: 10.1002/adfm.202300896
Alexander Deptula ₁ , Jessica Rangel‐Galera ₁ , Rosa M. Espinosa‐Marzal _{1,

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Affiliation

尽管聚电解质系统最近取得了进展，但设计响应性水凝胶界面以满足应用要求仍然具有挑战性。在此，研究了由聚（甲基丙烯酰胺-甲基丙烯酸）组成的半结晶胶体凝胶在水中的储能模量在 MPa 范围内。SEM、X 射线散射和 NMR 的结合揭示了不同单体比例下胶体微观结构、结晶度和氢键的演变。具有最精细胶体微观结构的凝胶表现出最耗散的流变行为，并被选择用于研究其界面特性和潜在的相互作用。微观结构稳定性和动力学源于短程（吸引力）氢键和疏水力，和长程（排斥）静电相互作用——“SALR”对势。此外，凝胶的表面呈现出亚微米胶体形貌，由于胶体网络的粘弹性变形，很大程度上决定了（类胶体）摩擦，而静电近表面相互作用以层状粘附传播。所涉及的相互作用的动态和可逆性质引入了刺激响应行为，从而实现了粘附和摩擦的电可调性。这项研究推进了设计复杂水凝胶界面所需的知识，这些界面能够实现表面特性的空间和动态控制，这与生物医学设备、软组织设计、软机器人和其他工程摩擦系统的应用相关。凝胶的表面呈现出亚微米胶体形貌，由于胶体网络的粘弹性变形，很大程度上决定了（类胶体）摩擦力，而静电近表面相互作用以层状粘附的形式传播。所涉及的相互作用的动态和可逆性质引入了刺激响应行为，从而实现了粘附和摩擦的电可调性。这项研究推进了设计复杂水凝胶界面所需的知识，这些界面能够实现表面特性的空间和动态控制，这与生物医学设备、软组织设计、软机器人和其他工程摩擦系统的应用相关。凝胶的表面呈现出亚微米胶体形貌，由于胶体网络的粘弹性变形，很大程度上决定了（类胶体）摩擦力，而静电近表面相互作用以层状粘附的形式传播。所涉及的相互作用的动态和可逆性质引入了刺激响应行为，从而实现了粘附和摩擦的电可调性。这项研究推进了设计复杂水凝胶界面所需的知识，这些界面能够实现表面特性的空间和动态控制，这与生物医学设备、软组织设计、软机器人和其他工程摩擦系统的应用相关。而静电近表面相互作用则在层状粘附中传播。所涉及的相互作用的动态和可逆性质引入了刺激响应行为，从而实现了粘附和摩擦的电可调性。这项研究推进了设计复杂水凝胶界面所需的知识，这些界面能够实现表面特性的空间和动态控制，这与生物医学设备、软组织设计、软机器人和其他工程摩擦系统的应用相关。而静电近表面相互作用则在层状粘附中传播。所涉及的相互作用的动态和可逆性质引入了刺激响应行为，从而实现了粘附和摩擦的电可调性。这项研究推进了设计复杂水凝胶界面所需的知识，这些界面能够实现表面特性的空间和动态控制，这与生物医学设备、软组织设计、软机器人和其他工程摩擦系统的应用相关。

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Control of Surface Morphology, Adhesion and Friction of Colloidal Gels with Lamellar Surface Interactions

Despite recent advances in polyelectrolyte systems, designing responsive hydrogel interfaces to meet application requirements still proves challenging. Here, semicrystalline colloidal gels composed of poly(methacrylamide-co-methacrylic acid) are investigated in water with storage moduli in the MPa range. A combination of SEM, X-ray scattering, and NMR reveals the evolution of the colloidal microstructure, crystallinity, and hydrogen bonding with varying monomer ratio. The gels with the finest colloidal microstructure exhibit the most dissipative rheological behavior and are selected for the study of their interfacial characteristics and underlying interactions. Microstructure stabilization and dynamics results from short-range (attractive) hydrogen bonding and hydrophobic forces, and long-range (repulsive) electrostatic interactions—the “SALR” pair potential. Further, the gel's surface exhibits a submicron colloidal topography that greatly determines (colloidal-like) friction as a result of the viscoelastic deformation of the colloidal network, while electrostatic near-surface interactions propagate in lamellar adhesion. The dynamic and reversible nature of the involved interactions introduces a stimulus responsive behavior that enables the electrotunability of adhesion and friction. This study advances the knowledge necessary to design complex hydrogel interfaces that enable spatial and dynamic control of surface properties, which is of relevance for applications in biomedical devices, soft tissue design, soft robotics, and other engineered tribosystems.

更新日期：2023-04-06

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