Photo-responsive hydrogel-based re-programmable metamaterials

超材料 自愈水凝胶 计算机科学 材料科学 光电子学 高分子化学
作者
Herit Patel,Jiehao Chen,Yuhang Hu,Alper Ertürk
出处
期刊:Scientific Reports [Springer Nature]
卷期号:12 (1) 被引量:10
标识
DOI:10.1038/s41598-022-15453-7
摘要

This paper explores a novel programmable metamaterial using stimuli-responsive hydrogels with a demonstration of bandgap formation and tuning. Specifically, a photo-responsive hydrogel beam that can achieve re-programmable periodicity in geometric and material properties through patterned light irradiation is designed. Hydrogels consist of polymeric networks and water molecules. Many unique properties of hydrogels, including bio-compatibility, stimuli-responsiveness, and low dissipation make them ideal for enabling re-programmable metamaterials for manipulating structural dynamic response and wave propagation characteristics. Bandgap generation and tunability in photo-responsive hydrogel-based metamaterial (in the form of a diatomic phononic chain) as well as the effects of system parameters such as light exposure pattern and photo-sensitive group concentration on the bandgap width and center frequency are systematically studied. In agreement with finite-element model simulations, it is observed that an increase in light exposure region size reduces both the bandgap width and center frequency, while an increase in the concentration of photo-sensitive group increases bandgap width, attenuation and reduces its center frequency. This work unveils the potential of stimuli-response hydrogels as a new class of low-loss soft metamaterials, unlike most other soft materials that are too lossy to sustain and exploit wave phenomena.
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