金属-有机配位被广泛应用于设计响应性聚合物和软器件。但制备具有复杂结构的氧化还原响应致动器仍然是一个挑战，限制了它们在材料和工程领域的先进应用。近日，科研人员报告了一种光氧化还原介导的设计和调节策略，在可见光照射下在几秒钟内通过 Ru(II)/Co(III) 的催化制备金属配位水凝胶。同时，多个聚合物网络形成并相互渗透，使所制备的水凝胶具有优异的机械性能和韧性。这种快速、一步、可控的过程与标准摄影和打印技术高度兼容，可以制作分层的 2D/3D 结构。重要的是，Co(III) 的氧化分解有利于形成基于钴阳离子的氧化还原响应网络，该网络具有通过调节氧化还原环境条件调节 Co3+/2+ 状态来设计形状记忆材料和致动器的潜力。作为概念验证，通过设计复杂的不对称结构并结合典型的挤压 3D 打印方法优化其性能，成功证明了可编程空气驱动执行器可以控制货物捕获/释放。团队报告了一种用于设计高性能执行器的简单而通用的金属-有机协调策略，该策略在智能软设备和电子产品中显示出广阔的应用前景。
图 1. 在可见光 (452 nm) 照射下通过开发的 PMDR 策略在短时间内制备 MCTH 的示意图。
图 2. (a) 具有不同钴阳离子的 PVI 水溶液的原位流变特性。(b) PVI/Ru(II)/Co(III)溶液在不同辐照时间下的紫外-可见光谱。(c) Ru(II)/Co(III) 水溶液的 EPR (顶部) 光谱和 AAm/Ru(II)/Co(III) 在连续照射下的 FT-IR (底部) 光谱。(d) 分别具有 Ru(II)/Co(III) 和 Ru(II)/APS 光催化系统的水凝胶前体的原位流变学表征。(e) 用苯酚和无苯酚 ALG 测量水凝胶前体的凝胶时间。(f) (e) 中具有相应前体的 3D 打印水凝胶的数字图像。
图 3. (a) MCTH 和其他对照水凝胶的应力-应变曲线。(b) 用 MCTH 和 Co2+ 配位的水凝胶装载 5 公斤货物的数字图像。(c) MCTH 中钴阳离子的 XPS 光谱。(d) 在 PVI 中具有不同 Co(III) 和咪唑单元摩尔比的 MCTH 的应力、应变和杨氏模量 (E)。(e) MCTH、酸和碱处理的水凝胶的应力-应变曲线。(f) MCTH、Co2+ 配位水凝胶和 PAAm 的循环拉伸，应变至 200%。(g) MCTHs 和 (h) Co2+ 配位水凝胶在 25 和 80 °C 下分别具有不同等待时间的回收过程。(i) 分别对 MCTH 和 Co2+ 配位水凝胶进行连续循环拉伸和压缩测试。
图 4. (a) MCTH 和还原剂处理样品的应力-应变曲线。(b) 氧化剂化学物质对 ASC 减少的水凝胶机械性能的影响。(c) 水凝胶的原位流变学表征，顺序处理 ASC 和 PMDR 策略，反应时间不同。(d) 采用替代 ASC 和 PMDR 处理的水凝胶的杨氏模量变化。（e）（d）中相应水凝胶样品的SEM图像。白色和红色条分别为 100 和 25 μm。(f) 具有可逆氧化还原处理的水凝胶的数字图像，可装载 100 克货物。(g) 分别展示 MCTH 的形状记忆特性和 (h) 固定样品在水中的恢复过程。
图 5. (a, b) 分别使用涂层反应溶液和选择性照射方法的图案化水凝胶的表面形态和横截面。(c) 通过阴影掩模技术进行一次和两次图案化处理的 3D MCTH 数字图像。(d) 图案化 MCTH 的数字图像和图案化 MCTH 带在水中的膨胀驱动卷曲。(e) 不同气动 3D 执行器形状变化的示意图。(f) 标准和 (g) 不对称处理的锯齿形致动器的数字图像，分别用于在一定气压下捕获和释放cargos。
相关论文以题为Photoredox-Mediated Designing and Regulating Metal-Coordinate Hydrogels for Programmable Soft 3D-Printed Actuators发表在《ACS Macro Letters》上。通讯作者是西北大学张萍博士，和于游教授。
参考文献：
doi.org/10.1021/acsmacrolett.2c00362
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