(Phys.org)—Dans la nature, certains organismes utilisent des déformations pour créer un mouvement tridimensionnel. Un exemple est le piège à mouches de Vénus, qui ouvre et ferme ses feuilles pour attraper sa proie. Lorsqu'il est ouvert, les feuilles sont concaves, mais lorsqu'elles sont fermées, les feuilles sont convexes. Les scientifiques s'intéressent à l'imitation des déformations contrôlées pour des applications dans l'électronique douce ou les actionneurs.

Des chercheurs de l'Université du Zhejiang en Chine, Université d'État de l'Iowa, et l'Université de Hokkadio au Japon ont utilisé des hydrogels à motifs périodiques pour imiter le type de déformations coopératives observées dans la nature. Ces hydrogels se déforment spontanément en configurations tridimensionnelles concaves et convexes qui sont guidées par les effets coopératifs du plus proche voisin. Leur travail apparaît dans Avancées scientifiques .

Les hydrogels sont des polymères souples qui absorbent l'eau, dont certains sont à gonflement élevé tandis que d'autres sont à gonflement faible ou non. Pour cette étude, Wang, et al. utilisé la photolithographie pour effectuer un processus de photopolymérisation en deux étapes afin de créer un réseau bidimensionnel d'hydrogels alternés. Ils ont commencé par placer PAAm, un gel non gonflant, dans un certain motif dans lequel une partie du gel est exposée à la lumière UV. Puis, un gel très gonflant, P(AAm-co-AMPS), a été superposé sur le gel non gonflant nouvellement modelé, qui a ensuite été exposé à la lumière UV. Cela a créé un motif alterné de deux gels qui, lors du gonflement, a entraîné une alternance de déformations concaves et convexes dans les disques de gel à gonflement élevé.

La déformation se produit parce que les régions à fort gonflement sont contraintes par les régions non gonflées, ce qui provoque le flambage des régions à fort gonflement. Pour minimiser l'énergie élastique globale, les régions à fort gonflement alternent entre déformations concaves et convexes. Le motif alterné parmi les disques à gonflement élevé a démontré un effet coopératif en ce sens que les disques à gonflement élevé voisins semblaient "savoir" si leurs voisins étaient concaves ou convexes.

Pour comprendre les effets coopératifs des disques d'hydrogel, Wang et al. distance inter-disque variée ainsi que le rayon du disque de leurs gels. Ils ont découvert que pour voir les effets coopératifs, il y a une certaine distance spéciale, appelée distance coopérative, auquel les domaines du disque d'hydrogel deviennent coopératifs. À des longueurs supérieures à cette distance, ils n'ont pas observé d'effets coopératifs.

La nature de ces déformations, y compris la distance coopérative, peut être contrôlé en modifiant plusieurs facteurs. Pour un, le rayon des disques individuels à gonflement élevé affecte la distance coopérative. Par ailleurs, les différences entre les capacités de gonflement des hydrogels peuvent modifier le motif géométrique. Si les hydrogels ne présentent pas un grand décalage de gonflement, puis ils formeront un motif rhombique avec le disque à gonflement élevé au milieu entouré de quatre disques non gonflés. Si les gels présentent un grand décalage de gonflement, alors les disques non gonflants forment une géométrie triangulaire autour des disques à fort gonflement.

Ces géométries peuvent être contrôlées en modifiant le caractère ionique de la solution de solvant. Par exemple, un gel à motifs disposés de manière hexagonale avec un rayon de disque de 5 mm et une distance entre les disques de 15 mm, a démontré une déformation en forme de triangle lorsqu'il est gonflé avec de l'eau pure. Cependant, lorsque 0,15 M de NaCl a été utilisé, la feuille d'hydrogel s'aplatit. Il a démontré une forme rhombique lorsque 0,02 M de NaCl a été utilisé.

En outre, Wang et al. a montré que vous pouvez manipuler des régions locales de l'hydrogel en effectuant un pré-gonflement sélectif. Ceci est fait en masquant certains des disques d'entrer en contact avec de l'eau ou une solution saline, ce qui entraîne un gonflement des zones non masquées alors que les zones masquées ne le font pas.

En utilisant des masques de formes différentes, les auteurs ont montré que changer la forme des disques d'hydrogel individuels en carrés ou en ellipses modifiait la forme de flambement localisé. Cependant, les gels conservaient toujours leurs effets coopératifs. Leurs études ont montré qu'en adaptant les modèles d'hydrogel, on peut obtenir des déformations coopératives complexes.

Dernièrement, les auteurs ont considéré la périodicité de leurs hydrogels à motifs. La périodicité de la dispersion peut être modifiée en superposant différents gels à l'aide de différents masques. Dans ce document, PAAc et P(PAAm-co-VI), les disques ont été placés dans du gel P(AAm-co-AMPS). Ces gels ont répondu différemment à différents pH. Deux des gels ont gonflé à pH 2, formant le motif concave-convexe. A pH 10, l'un des disques gonflés n'a pas gonflé, tandis que les deux autres l'ont fait. Ce modèle de déformation coopérative déclenché par un stimulus était relativement réversible et peut être davantage adapté à l'aide de différents hydrogels.

Ce travail démontre l'idée de déformation coopérative en utilisant des hydrogels à motifs périodiques, fournir une preuve de concept qui devrait être généralement applicable à d'autres matériaux.

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