pH 响应纳米凝胶的坍缩/扩张动力学与致动

聚电解质（PE）凝胶可动态响应外部刺激，如 pH 和温度变化，这对于智能材料和具有可调性能的纳米器件具有优势。我们使用包含静电和流体动力学相互作用的混合分子动力学/蒙特卡洛仿真方法，研究 pH 响应纳米凝胶的平衡构象和相转动力学。我们证明，PE 纳米凝胶表现出具有不可连续胀缩-坍缩转变的闭环相行为，该转变仅在中间 pH 值处发生。一个约 50 nm 的纳米凝胶粒子靠近临界点可作为 pH 驱动的致动器，具有微秒级构象响应和约 $10^5~\mathrm{J/m}^3$ 的功率密度，这是骨骼肌的一个数量级。凝胶的坍缩/扩张时间尺度为 $L^{2}$，功率密度为 $L^{-2}$，其中 $L$ 为凝胶的线性尺寸。我们的工作为理解胀缩-坍缩转变的相行为和非平衡动力学提供了基本见解，并使我们的方法能够探讨软材料中的电荷-结构-流体动力学耦合。