仿生智能水凝膠

第1章 緒論 001
參考文獻 007
第2章 構建水凝膠的常見高分子 012
2.1 天然高分子 013
2.1.1 多糖類 013
2.1.2 蛋白質類 016
2.1.3 多肽類 017
2.1.4 核酸類 019
2.2 合成高分子 020
2.2.1 聚丙烯及其衍生物類 020
2.2.2 聚醇類 021
2.2.3 其他類 022
參考文獻 023
第3章 水凝膠的合成方法 040
3.1 由溫度引起的高分子鏈糾纏 041
3.2 分子自組裝 042
3.3 離子凝膠化/ 靜電相互作用 043
3.4 化學交聯(lián) 044
3.5 小結 045
參考文獻 045
第4章 水凝膠內部的主要交聯(lián)類型 048
4.1 永久共價交聯(lián) 049
4.1.1 碳- 碳鍵 050
4.1.2 碳- 氮鍵 050
4.1.3 碳- 氧鍵 051
4.1.4 碳- 硫鍵 051
4.1.5 硅- 氧鍵 051
4.2 強物理交聯(lián) 051
4.2.1 晶疇 052
4.2.2 玻璃狀結節(jié) 052
4.2.3 螺旋關聯(lián) 053
4.3 弱物理交聯(lián) 053
4.3.1 氫鍵 053
4.3.2 靜電相互作用 054
4.3.3 配位絡合 055
4.3.4 主客體相互作用 055
4.3.5 疏水締合 056
4.3.6 π-π 堆積 057
4.4 動態(tài)共價交聯(lián) 057
4.4.1 亞胺鍵 058
4.4.2 硼酸酯鍵 058
4.4.3 二硫鍵 059
4.4.4 腙鍵 059
4.4.5 肟鍵 060
4.4.6 可逆Diels-Alder 反應 060
參考文獻 061
第5章 水凝膠高分子網絡的結構特征 077
5.1 彈性體水凝膠 078
5.1.1 干燥狀態(tài)下的彈性高分子網絡 078
5.1.2 溶脹狀態(tài)下的彈性高分子網絡 080
5.2 非彈性體水凝膠 082
5.2.1 理想高分子網絡 083
5.2.2 含有滑動交聯(lián)點的高分子網絡 083
5.2.3 互穿和半互穿高分子網絡 084
5.2.4 具有高官能交聯(lián)的高分子網絡 085
5.2.5 微納纖維高分子網絡 085
5.2.6 其他非常規(guī)高分子網絡 086
5.3 由非常規(guī)高分子網絡結構引起的力學性能分離 086
5.4 非常規(guī)高分子網絡結構和相互作用的協(xié)同效應 089
參考文獻 090
第6章 水凝膠極限力學性能的設計原理和調控方法 097
6.1 韌性：在可拉伸高分子網絡中引入能量耗散機制 098
6.1.1 斷裂韌性 098
6.1.2 堅韌水凝膠的設計原則 099
6.1.3 堅韌水凝膠的實施策略 100
6.2 強度：讓高分子網絡內部有足夠多的分子鏈能夠同時硬化且斷裂 103
6.2.1 抗拉強度 103
6.2.2 抗拉伸水凝膠的設計原則 104
6.2.3 抗拉伸水凝膠的實施策略 105
6.3 彈性：降低水凝膠在一定變形范圍內的機械耗散 1076.3.1 彈性 107
6.3.2 高彈性水凝膠的設計原則 107
6.3.3 高彈性水凝膠的實施策略 109
6.4 韌性黏結：整合具有機械耗散的增韌水凝膠基體與高強界面的交聯(lián) 111
6.4.1 界面韌性 111
6.4.2 強界面黏附性水凝膠的設計原則 112
6.4.3 強界面黏附性水凝膠的實施策略 113
6.5 抗疲勞：用具有高本征斷裂能的物質去阻礙疲勞裂紋擴展 115
6.5.1 疲勞閾值 115
6.5.2 抗疲勞水凝膠的設計原則 116
6.5.3 抗疲勞水凝膠的實施策略 117
6.6 抗疲勞粘接：在界面處強力固定具有高本征斷裂能的物質 119
6.6.1 界面疲勞閾值 119
6.6.2 抗疲勞黏附水凝膠的設計原則 120
6.6.3 抗疲勞黏附水凝膠的實施策略 121
參考文獻 122
第7章 水凝膠功能特性的設計原理和調控方法 130
7.1 導電性：形成連通的電子導電相 131
7.2 磁性：嵌入磁性顆粒并形成鐵磁磁疇 132
7.3 折射率和透明度：均勻嵌入高折射率且無散射的納米相 133
7.4 可調控聲阻抗：等效均質水凝膠的密度和體積模量的調控 133
7.5 自愈性：在損傷區(qū)域形成新的交聯(lián)或高分子鏈 134
7.6 可注射性：選擇具有剪切變稀和自我修復特性的材料 136
參考文獻 137
第8章 水凝膠的動態(tài)模擬 141
8.1 光圖案化和光化降解法 142
8.2 動態(tài)光度圖形法 143
8.3 細胞響應反饋系統(tǒng)法 144
8.4 刺激響應——形態(tài)變形法 145
8.5 細胞介導牽引力引起的形態(tài)變形法 146
參考文獻 147
第9章 仿生智能水凝膠軟執(zhí)行器及其應用 150
9.1 自然界中的刺激- 響應驅動行為 151
9.1.1 基于細胞滲透壓變化實現(xiàn)的驅動行為 152
9.1.2 基于纖維素原纖維結構不均勻膨脹實現(xiàn)的驅動行為 153
9.1.3 基于可逆弱鍵的斷裂/ 生成實現(xiàn)的驅動行為 153
9.1.4 基于微觀結構變化實現(xiàn)的驅動行為 154
9.1.5 基于軟結構的收縮/ 拉伸實現(xiàn)的驅動行為 155
9.2 人造刺激- 響應性水凝膠執(zhí)行器 155
9.2.1 熱響應 156
9.2.2 光響應 161
9.2.3 磁響應 165
9.2.4 電響應 167
9.2.5 pH 響應 170
9.2.6 離子響應 172
9.2.7 濕度響應 173
9.2.8 溶劑響應 175
9.2.9 其他響應 176
9.3 仿生智能水凝膠執(zhí)行器的應用 178
9.3.1 軟執(zhí)行器 179
9.3.2 流體操控 187
9.3.3 醫(yī)學工程 191
參考文獻 195
第10章 仿生自供能水凝膠傳感器 205
10.1 自供能水凝膠傳感器的供能機制 206
10.1.1 摩擦納米發(fā)電 207
10.1.2 壓電納米發(fā)電 208
10.1.3 熱電納米發(fā)電 209
10.1.4 光伏發(fā)電 209
10.1.5 水伏發(fā)電 210
10.1.6 磁電發(fā)電 211
10.1.7 混合發(fā)電 211
10.2 自供能水凝膠傳感器的典型應用 212
10.2.1 物理傳感 212
10.2.2 健康護理 215
10.2.3 環(huán)境監(jiān)測 217
參考文獻 219
第11章 總結與展望 222
11.1 仿生智能水凝膠軟執(zhí)行器 223
11.2 自供能水凝膠傳感器 224