非均匀电场下聚电解质水凝胶的收缩响应

当代材料科学的主要挑战之一是构建能够模拟响应性生物组织（如人工皮肤和肌肉）的合成结构。聚电解质水凝胶可提供此类机械电响应。然而，其对此类刺激的响应——尤其是在分子尺度上的响应——尚未完全阐明。本文通过大规模粗粒度分子动力学模拟研究了半无限厚度聚电解质水凝胶薄片对瞬态且空间非均匀正弦电场的机械响应。我们的模拟表明，若对水凝胶薄片的一个小体积区域施加电场，整个薄片会沿电场垂直方向可逆地单向收缩。在收缩后，水凝胶几乎收缩至其无电场初始长度的一半，然后恢复原大小，最终其尺寸波动以类似指数方式衰减。当电场施加于水凝胶薄片远离边界时，收缩幅度最大。进一步通过调节电场频率和幅度，可控制收缩时间和效率。对收缩时间和效率的分析表明，尽管在不同电磁参数和盐浓度下进行隐式溶剂模拟，但该现象仍然稳健，凸显了流体动力学的重要性。我们的结果表明，空间非均匀电场在需要快速柔性执行部件的应用中，对操控均匀水凝胶结构具有有效性。