金屬-有機配位被廣泛應用於設計響應性聚合物和軟器件。但製備具有複雜結構的氧化還原響應致動器仍然是一個挑戰，限制了它們在材料和工程領域的先進應用。近日，科研人員報告了一種光氧化還原介導的設計和調節策略，在可見光照射下在幾秒鐘內通過 Ru(II)/Co(III) 的催化製備金屬配位水凝膠。同時，多個聚合物網絡形成並相互滲透，使所製備的水凝膠具有優異的機械性能和韌性。這種快速、一步、可控的過程與標準攝影和打印技術高度兼容，可以製作分層的 2D/3D 結構。重要的是，Co(III) 的氧化分解有利於形成基於鈷陽離子的氧化還原響應網絡，該網絡具有通過調節氧化還原環境條件調節 Co3+/2+ 狀態來設計形狀記憶材料和致動器的潛力。作為概念驗證，通過設計複雜的不對稱結構並結合典型的擠壓 3D 打印方法優化其性能，成功證明了可編程空氣驅動執行器可以控制貨物捕獲/釋放。團隊報告了一種用於設計高性能執行器的簡單而通用的金屬-有機協調策略，該策略在智能軟設備和電子產品中顯示出廣闊的應用前景。
圖 1. 在可見光 (452 nm) 照射下通過開發的 PMDR 策略在短時間內製備 MCTH 的示意圖。
圖 2. (a) 具有不同鈷陽離子的 PVI 水溶液的原位流變特性。(b) PVI/Ru(II)/Co(III)溶液在不同輻照時間下的紫外-可見光譜。(c) Ru(II)/Co(III) 水溶液的 EPR (頂部) 光譜和 AAm/Ru(II)/Co(III) 在連續照射下的 FT-IR (底部) 光譜。(d) 分別具有 Ru(II)/Co(III) 和 Ru(II)/APS 光催化系統的水凝膠前體的原位流變學表徵。(e) 用苯酚和無苯酚 ALG 測量水凝膠前體的凝膠時間。(f) (e) 中具有相應前體的 3D 打印水凝膠的數字圖像。
圖 3. (a) MCTH 和其他對照水凝膠的應力-應變曲線。(b) 用 MCTH 和 Co2+ 配位的水凝膠裝載 5 公斤貨物的數字圖像。(c) MCTH 中鈷陽離子的 XPS 光譜。(d) 在 PVI 中具有不同 Co(III) 和咪唑單元摩爾比的 MCTH 的應力、應變和楊氏模量 (E)。(e) MCTH、酸和鹼處理的水凝膠的應力-應變曲線。(f) MCTH、Co2+ 配位水凝膠和 PAAm 的循環拉伸，應變至 200%。(g) MCTHs 和 (h) Co2+ 配位水凝膠在 25 和 80 °C 下分別具有不同等待時間的回收過程。(i) 分別對 MCTH 和 Co2+ 配位水凝膠進行連續循環拉伸和壓縮測試。
圖 4. (a) MCTH 和還原劑處理樣品的應力-應變曲線。(b) 氧化劑化學物質對 ASC 減少的水凝膠機械性能的影響。(c) 水凝膠的原位流變學表徵，順序處理 ASC 和 PMDR 策略，反應時間不同。(d) 採用替代 ASC 和 PMDR 處理的水凝膠的楊氏模量變化。（e）（d）中相應水凝膠樣品的SEM圖像。白色和紅色條分別為 100 和 25 μm。(f) 具有可逆氧化還原處理的水凝膠的數字圖像，可裝載 100 克貨物。(g) 分別展示 MCTH 的形狀記憶特性和 (h) 固定樣品在水中的恢復過程。
圖 5. (a, b) 分別使用塗層反應溶液和選擇性照射方法的圖案化水凝膠的表面形態和橫截面。(c) 通過陰影掩模技術進行一次和兩次圖案化處理的 3D MCTH 數字圖像。(d) 圖案化 MCTH 的數字圖像和圖案化 MCTH 帶在水中的膨脹驅動捲曲。(e) 不同氣動 3D 執行器形狀變化的示意圖。(f) 標準和 (g) 不對稱處理的鋸齒形致動器的數字圖像，分別用於在一定氣壓下捕獲和釋放cargos。
相關論文以題為Photoredox-Mediated Designing and Regulating Metal-Coordinate Hydrogels for Programmable Soft 3D-Printed Actuators發表在《ACS Macro Letters》上。通訊作者是西北大學張萍博士，和於游教授。
參考文獻：
doi.org/10.1021/acsmacrolett.2c00362
