Autonomous phototaxis of hydrogel swimmers

趋光性 自愈水凝胶 仿生学 超分子化学 纳米技术 共价键 材料科学 纳米纤维 软质材料 智能材料 两亲性 仿生材料 聚合物 分子 化学 高分子化学 生物 植物 有机化学 共聚物 复合材料
作者
S. Doruk Cezan,Aaveg Aggarwal,Chuang Li,Hang Yuan,Liam C. Palmer,Mónica Olvera de la Cruz,Samuel I. Stupp
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:121 (50)
标识
DOI:10.1073/pnas.2411092121
摘要

The design of synthetic soft matter capable of emulating the complex behaviors of living organisms, such as sensing and adapting to their environment, remains an important challenge in developing biomimetic materials. Functionalized hydrogels are ideal candidates for such materials since they are highly responsive to their environment and can be operated in water. In this work, we investigate a hybrid bonding hydrogel composed of peptide amphiphile supramolecular nanofibers covalently attached to a photoresponsive network, in which high-aspect-ratio ferromagnetic nanowires are aligned along the length of the sample, designed to swim under oscillating magnetic fields. This hybrid hydrogel swimmer can autonomously swim toward a light source by utilizing photoinduced interactions between supramolecular and covalent networks reminiscent of phototactic swimming in living systems. Using a combination of experimental techniques and a continuum model incorporating photochemistry, magnetoelasticity, and hydrodynamics, we explain the swimming mechanism and predict phototactic behavior. Our work highlights the potential role of hybrid bonding polymers, which leverage the interplay between supramolecular assemblies and covalent networks. We demonstrate how these polymers can be tailored to react dynamically to their environment, paving the way for developing intelligent and autonomous robotic systems.
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